نقش دسپرسانت در شکل دادن سرامیک ها

نقش دسپرسانت در شکل دادن سرامیک ها

تعداد بازدید: 5650
کد مطلب: 15707
تاریخ انتشار: 15:23 04 ارديبهشت 1392

نقش دسپرسانت در شکل دادن سرامیک ها

 
 

نقش دسپرسانت در شکل دادن سرامیک ها (Dispersant Role in Ceramic Forming)  پایدار سازی سوسپانسیون ذرات جامد است. دسپرسانت یا پراکنده ساز گاهی اوقات در صنعت سرامیک دفلوکولانت هم نامیده می شود. اگر چه این مواد معمولا در مقادیر کم به کار می روند (به عنوان مثال کمتر از یک درصد وزنی)، اما نقش بسیار بزرگی را در افزایش بیشترین میزان ذرات جامد برای ویسکوزیته مناسب دوغاب ایفا می کنند.

پراکنده سازها ترکیب های شیمایی متنوعی دارند، در مورد بسیاری از آن ها ترکیب شیمیایی هر تولید کننده یک ترکیب اختصاصی است. اما می توان آن ها را بر اساس ساختار شیمیایی آن ها به سه دسته تقسیم بندی کرد:

1- نمک های اسیدی معدنی (Inorganic Acid Salts)

2- سورفکتانت ها (Surfactants)

3- پلیمرهایی با وزن مولکولی کم تا متوسط (Low- to Medium-Molecular Weight Polymers )

 
 

نمک های معدنی و مشتقات اسیدهای معدنی ضعیف دیسپرسانت های موثر در محلول هی آبی هستند. خانواده بزرگ آن ها عبارتند از:

1- فسفات های معدنی مانند سدیم هگزا متافسفات Na6P6P18، تترا سدیم پیروفسفات Na4P2O7 و سدیم تری پلی فسفات Na5P6O10

2- سیلیکات ها مانند سدیم سیلیکات (Na2O)(Na2SiO3)x که در آن x≈4 است)

3- بورات ها مانند سدیم تترابورات (بوراکس) Na2Ba4O7

سدیم کربنات Na2Co3، معمولا به عنوان یک دیسپرسانت استفاده می شود ولی به اندازه فسفات های معدنی و سدیم سیلیکات قوی نیست. ساختار شیمیایی نمونه ای از گروه های فسفات، سیلیکات و بورات در شکل زیر نمایش داده شده است. این فرمول ها تقریبی از محصولات تجاری هستند و ممکن است ترکیب سازندگان مختلف متفاوت باشد.

کمپلکس آنیونی به شدت به سطح ذرات اکسیدی جذب می شود. جذب با افزایش وزن مولکولی اجزاء آنیونی (جاذبه واندوالس بیشتر) و بار مخصوص (بار گروه آنیونی) افزایش می یابد. جذب به همراه تشکیل لایه لایه نفوذی از یون های مخالف (یون هایی با بار مثبت) منجر به پایداری الکترواستاتیک به علت دافعه بین دو لایه می شود. ظرفیت و شعاع یون های مخالف م یتواند تعیین کننده میزان دافعه بین ذرات باشد و بنابراین در پایداری سوسپانسیون مؤثر باشد. یون های مخالف با ظرفیت بیشتر برای ایجاد فلوکولاسیون موثر تر هستند(قانون Schulze-Hardy) . اگر یون ها ظرفیت مشابه داشته باشند، در این صورت یون های کوچک تر موثرند. برای کاتیون های تک ظرفیتی اثر فلوکولاسیون به این شکل است:

     L+>Na+>K+>NH4+

در حالی که برای یون های دو ظرفیتی به شکل زیر است:

        Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+

 

ترکیب شیمایی نمونه از دیسپرسانت های معدنی

ترکیب شیمایی نمونه از گروه (a) فسفات، (b) سیلیکات و (c) بورات از دیسپرسانت های معدنی

 این ترتیب به سری Hofmeister معروف است. برای آنیون های معروف اثر فلوکولاسیون به این شکل است:

                                                                         SO42->Cl->NO3-

سدیم سیلیکات یکی از موثرترین دیسپرسانت برای رس هاست. برای سرامیک های پیشرفته که خواص ویژه ای دارند استفاده از سدیم سیلیکات و سایر نمک های اسیدهای معدنی، یون های باقی مانده به جای می گذارند(مانند سدیم یا فسفات) که حتی در مقادیر بسیار کم منجر به تشکل فاز مایع در هنگام زینتر شده و کنترل ریزساختار را دشوارتر می کند.

 
 

سورفکتانت ها Surfactatnt مخفف (Surface Active Agents) به توزیع یک فاز در فاز دیگر کمک می کند. این تعریف محدود به سوسپانسیون های جامد - مایع نیست و ممکن است شامل سیستم های مایع - مایع هم بشود. هنگامی که این مواد برای پایدارسازی ذرات جامد در مایع به کار می روند به آن ها دیسپرسانت می گویند. مولکول های تشکیل دهنده سورفکتانت ها تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دارند. این امر به این علت رخ می دهد که ساختار آن ها از دو بخش تشکیل شده است که یک بخش آن محلول در حلال و بخش دیگر آن نامحلول است. این مولکول ها به صورت ترجیحی به شکلی جهت گیری می کنند که بخش محلول با مایع پیوند پیدا کرده و بخش نامحلول به سطح جامد پیوند پیدا می کند.

سورفکتانت ها معمولا بر اساس میزان بار بخشی از مولکول که به سطح جذب می شود تقسیم بندی می شود: غیر یونی، آنیونی و کاتیونی. سورفکتانت های غیر یونی سورفکتانتی است که هیچ گروه یونیزه ای ندارد که از جمله می توان به الکل های چرب ROH، اسیدهای چرب R(CO)OR’ که R’ پلیمرهای آلی با زنجیره کوتاه هستند، اشاره کرد. ساختار اسید اولئیک C17H34(CO)OH است که حاوی زنجیره آلی C17H34 و یک گروه عاملی (CO)OH است. سورفکتانت های غیر یونی معمولا در حلال های آلی موثرند. جذب روی ذرات توسط جاذبه واندوالس یا پیوند قوی تر همسایگی صورت می گیرد. همانطور که در شکل روبرو نشان داده شده است با استفاده از مفهوم اسید و باز لوئیس اتمی که در گروه عاملی سورفکتانت قرار دارد و دارای جفت الکترون غیر پیوندی است (مانند N و O) ممکن است مانند باز لوئیس عمل کرده و یک پیوند با اتمی مانند Al روی سطح که لایه تکمیل نشده از الکترون دارد (اسید لوئیس) برقرار می کند. پایدار سازی معمولا توسط ممانعت فضایی بین دنباله های آلی یا مایسل که درون حلال آلی قرار دارند رخ می دهد ایجاد می شوند.

 

تصویر شماتیک مولکول سورفکتانت، جذب سورفکتانت روی سطح، پایدار سازی به وسیله دافعه زنجیر های آلی و پایدار سازی با مایسل

تصویر شماتیک مولکول سورفکتانت، جذب سورفکتانت روی سطح، پایدار سازی به وسیله دافعه زنجیر های آلی و پایدار سازی با مایسل

نمونه هایی از سورفکتانت های غیر یونی معمول در شکل زیر نمایش داده شده است. روغن ماهی منهادن (Menhaden Fish Oil) به طور گسترده برای پراکنده سازی Al2O3 ، BaTio3 و بسیاری از پودر های اکسیدی در حلال های آلی به کار می رود. این ماده شامل مخلوطی از اسیدهای چرب باز و زنجیره های کوتاه فرمول R(CO)OH با زنجیره الکیل (R) است که حاوی پیوندهای دو گانه C=C است و در انتهای گروه عاملی آن اسید کربوکسیلیک (CO)OH قرار دارد.

نرکیب برخی از سورفکتانت ها

سدیم اولئات C17H34 (CO)O-Na+ یک سورفکتانت آنیونی است زیرا به یون Na+ و یون اولئات منفی تجزیه می شود. نمک های اسیدهای چرب، مانند سدیم اولئات، سدیم استئارات C17H35(CO)O-Na+  و سولفونات ها مانند سدیم الکیل سولفونات R(SO2)O-Na+ که R زنجیره آلکیل متشکل از 10 تا 20 اتم کربن است معمولا سورفکتانت های آنیونی هستند. سورفکتانت های آنیونی در حلال های آبی موثرند. معمولا اجزای اکسیژنی با بار منفی از تجزیه سورفکتانت های آنیونی به وجود می آیند. جذب سورفکتانت معمولا توسط جاذبه الکترواستاتیک با سطح ذرات با بار مثبت رخ می دهد. پایدار سازی سوسپانسیون  معمولا به وسیله دافعه الکترواستاتیک بین بارهای منفی ایجاد می شود.

دو دسیل آمونیوم استات C12H25(N+H3)CH3(CO)O  یک سورفکتانت کاتیونی است زیرا یون استات محلول در آب CH3(CO)O- و یون دو دسیل آمونیوم با بار مثبت تجزیه می شود C12H25(N+H3) که روی فصل مشترک تجمع می کنند، تجزیه می شود. سورفکتانت های کاتیونی معمولا از اجزای نیتروژنی با بار مثبت در هنگام تجزیه برخوردارند. به جز جابه جا شدن علامت بارها روی سورفکتانت و سطح ذرات مکانیزم های جذب و پایدار سازی مشابه مورد سورفکتانت های آنیونی است.

تجزیه سورفکتانت های آنیونی و کاتیونی برای تشکیل گروههایی با سر مثبت و منفی،پایدارسازی با سورفکتانت با بار منفی وایدار سازی با مایسل منفی

تجزیه سورفکتانت های آنیونی و کاتیونی برای تشکیل گروههایی با سر مثبت و منفی، پایدارسازی با سورفکتانت با بار منفی و پایدار سازی با مایسل منفی

برخی از سورفکتانت ها در pH پایین، بار مثبت، در pH متوسط بدون بار و در pH بالا بار منفی دارند. به سورفکتانتهای آمفوتریک موسومند. اگر یک مولکول خنثی گروهی با بار مثبت (مانند یون آمونیوم) و گروهی با بار منفی مانند (یون کربوکسیلات داشته باشد به یون zwitterionic موسومند. نمونه ای از سورفکتانت های زویتریونیک آمینو اسیدها R(N+H2)CH2CH2(CO)O- هستند. این ترکیب ها ممکن است آمفوتریک هم باشند و در pH پایین کاتیونی و در pH کاتیونی و در pH بالا آنیونی باشند. حضور این دو بار مخالف منجر به ایجاد ممان دو قطبی بزرگی می شود و در نتیجه این مولکول به شدت به سطح پلاریزه جذب می شود. این سورفکتانت ها می توانند روی سطوح با بارهای مختلف جذب شوند زیرا بخش مثبت مولکول به سطوحی با بار منفی و بخش منفی مولکول به سطوحی با بار مثبت جذب می شود.

 
 

این نوع از دیسپرسانت ها که وزن مولکولی آن ها در محدوده 100 تا چند هزار است به دسته های غیر یونی، آنیونی و کاتیونی تقسیم بندی می شوند. دیسر سانت های پلیمری غیر یونی معمول عبارتند از پلی (اتیلن اکسید) PEO یا پلی اتیلن گلیکول PEG، پلی وینیل پیرولیدون PVP پلی وینیل الکل PVA، پلی استرن PS و پلیمرهای PEO-Ps. بسیاری از این پلیمرها با وزن مولکولی بالاتر مانند بایندر عمل می کنند. هنگامی که بخش زنجیره آن ها حاوی گروه های OH با اجزای قطبی است، این دیسپرسانت ها در آب و حلال های آلی مؤثرند. در حلال های آبی یا آلی جذب پلیمرها می تواند توسط پیوند های ضعیف واندوالسی یا پیوندهای داتیو انجام می شود. درحلال های آبی پیوند هیدروژنی می تواند جاذبه بسیار قوی را به وجود آورد. به علت این که پلیمرهای غیر یونی بدون بار هستند، توسط ممانعت فضایی پایدار سازی را انجام می دهند. پلی الکترولیت ها مانند دیسپرسانت های یونی پلیمری از واحد های تکراری یونیزه شونده تشکیل شده اند و در محلول های آبی موثرند. در هنگام تجزیه گروه های یونیزه شده در زنجیره ها می توانند اجزایی با بار منفی ایجاد کنند (پلیمرهای آنیونی) یا اجزایی با بار مثبت ایجاد کنند (پلیمرهای کاتیونی) برخی از پلیمرهای آنیونی در شکل زیر نمایش داده شده اند. نمک های سدیم یا آمونیوم از اسیدهای پلی اکریلیک به طور موفقیت آمیزی در دوغاب های آبی با اکسیدهای یونی متفاوت به کار گرفته شده اند و استفاده از آن ها رو به افزایش است. برای سرامیک های پیشرفته استفاده از آن ها رو به افزایش است. برای سرامیک های پیشرفته استفاده از نمک سدیم از این اسیدها باید جلوگیری شود زیر یون های سدیم باقی مانده حتی از مقادیر بسیار کم منجر به تشکیل فاز مایع نامطلوب در حین زینترینگ شده و از کنترل ریزساختار جلوگیری می کنند. نمونه ای از پلیمرهای کاتیونی، پلی اتیلن امین است که در شرایط اسیدی بار مثبت پیدا می کند ولی در شرایط بازی به صورت یک باز ضعیف تجزیه نشده باقی می ماند.

برخی از پلیمرهای آنیونی و کاتیونی با زنجیره کوتاه به عنوان دیسپرسانت

 

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
مطالب مرتبط