分散劑（Dispersant）是一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的界面活性劑。
分散劑有哪些種類？作用機理是這樣的
澆注料的流動性在很大程度上由基質的流動性決定
而基質的流動性主要取決于加入的各原料之間的相互作用以及它們在水中的分布情況如果原料之間的分散性較差相互之間范德華力引力較大那么就會極易發生團聚和聚沉使得澆注料流動性變差因此作為澆注料基質的各原料在漿體中必須具有較好的分散性但由于基質中各原料尺寸大多在微米級及其以下表面張力和表面自由能都較大自身很容易發生團聚所以必須采用合適的分散劑使其分散開來這就牽涉到分散劑對基質漿體和甚質中所加各原料分散作用的討論
對于離子型分散劑其溶于水后會解離電離出正離子和負離子而正離子或負離子就會被帶有異號電荷的分散相粒子所吸附吸附達到一定的程度后粒子表面便形成雙電層使ζ-電位提高在靜電斥力作用使粒子分散開來并在粒子表面形成了溶劑化水膜由于靜電斥力作用以及溶劑化水膜的潤滑作用由粒子間的范德華引力和水的表面張力共同作用形成的凝聚結構體就被拆散釋放出其包裹的游離水從而使得澆注料在不增減用水量的情況仍具有較好的流動性以及和易性因此分散劑不僅能使顆粒分散開來還能減少用水量起到減水劑的作用
而對于非離子型表面活性劑當其吸附在分散相粒子上時分散相粒子會被表面活性劑包圍形成一種空間阻隔阻礙了超細粒子相互間的碰撞從而使分散相粒子能穩定的存在于液相中進而改變澆注料的流動性
1分散劑的種類
分散劑是指能使顆粒均勻的分散于介質中并形成穩定懸浮體的添加劑它分為無機類分散劑和有機類分散劑無機類分散劑都是離子型分散劑有機類分散劑則有離子型非離子型和兩性型分散劑之分離子型分散劑又可以分成陰離子型陽離子型分散劑而這些分散劑作用的機理將涉及到DLVO理論和空間位阻理論HVO理論
1.1無機陰離子型分散劑
無機分散劑主要是一些電解質類化合物溶于水時能解離出陽離子或陰離子團具有導電性此類型的分散劑主要是通過在帶電的粒子表面進行吸附改變其原有的雙電層結構進而顯著提高膠粒的表面電位絕對值產生較大靜電排斥作用從而使膠體獲得較好的穩定性
a.三聚碑酸鈉STP
白色粉末表觀密度為0.35-0.90g/cm3熔點為622℃易溶于水其水溶液的PH值為8~10分子式Na5P3O10/Na5P3O106H2O分子量367.88和476.02單個分子的長度約0.67mm其水解生成的焦磷酸根的長度約0.4nm水解成的正磷酸根和磷酸氫根的長度0.211~0.36nm結構式如下
圖1 STP的結構式
三聚磷酸鈉水溶液在室溫下很穩定但由于加熱加酸或堿促進了水解它會重新變成原來的正磷酸鹽STP水解為焦磷酸鈉和正磷酸鈉包括磷酸鈉Na3PO4磷酸一氫鈉Na2HPO4和磷酸二氫鈉NaH2PO4焦磷酸鈉最終還是水解為正磷酸鈉但其水解不是在溶解后立即完成的需要幾小時甚至幾年才可能完全水解
加入STP后顆粒的分散是通過吸附在顆粒表面的分子產生的靜電排斥實現的但是STP起分散作用的不是其水解后的產物而是水解前的磷酸基團長鏈STP在溶液條件下如果水解較完全那么它也就起不到分散作用了
b.六偏磷酸鈉SHP
是一種白色粉末或者鱗片狀固體易溶于水其水溶液的PH值為5~7分子式NaPO36分子量611.77環狀水解后的磷酸鹽鏈長約為1.67nm結構式如下
圖2 SHP的結構式
SHP中Na2O/P2O5=1屬于偏磷酸鹽分子結構呈環狀其PO4四面體呈椅子型配置環狀磷酸鹽在強堿性溶液中會迅速斷裂而形成的鏈狀磷酸鹽則在此溶液中比較穩定六偏磷酸鈉在堿性介質中長期煮沸會解聚成三偏磷酸鹽并水解成正磷酸鈉鹽
1.2有機小分子陰離子型分散劑
有機分散劑主要是表面活性劑由性質完全不同的兩部分組成一部分是親水基即憎油基另一部分則是親油基即憎水基有離子型和非離子型之分離子型表面活性劑又可以分為陰離子型在水溶液中可生成憎水性的陰離子陽離子型在水溶液中可生成憎水性的陽離子和兩性型同時具有陰陽離子或非離子中的兩種活性基團的表面活性劑
有機分散劑其分散作用機制分為兩種1離子型分散劑是靜電斥力與粒子表面的吸附層所產生的空間位阻共同起作用如果吸附層薄則靜電斥力起主導作用;如果吸附層厚溶劑化層厚則空間位阻起主導作用;2非離子型分散劑是空間位阻起主導作用
a.檸檬酸citricacid
分子式C6H8O7分子量192.12是一種有機小分子類陰離子型分散劑主要靠靜電斥力起到分散作用它在水中伸展的最長尺寸約為1.098nm是一種三元酸存在三級電離即在不同pH階段可電離出不同的離子種類且離子種類所占比例也不相同如圖4所示檸檬酸的解離常數如表1.1所示
圖3檸檬酸的結構式
圖4不同pH值時檸檬酸存在形式及相對濃度
表1檸檬酸不同存在形式的離子在25℃時的解離常數
b.FDN
FDN也叫萘磺酸鈉甲醛縮合物屬于萘系減水劑由疏水的亞甲基連接萘環和親水的磺酸基團組成分子式C10H6CH2NaSO3n其中n=9~13分子量2187~3159FDN主鏈長5.0nm~7.0nm側鏈長度小于0.5nm其分子結構如下
圖5FDN的結構式
1.3兩性表面活性劑
以醚基聚羧酸酯類兩性表面活性劑FS10和FS20為例結構式如圖6所示當這類分子接近陽離子時就會把其覆蓋有非離子性側鏈的具有表面活性作用的帶負電的陰離子球殼通過靜電作用吸附到陽離子表面上通常稱之為刺猬機制;當這種分散劑分子接近陰離子或不帶電的非離子分子如聚醚表面時它將通過搭接氫橋氫鍵的方式將其帶有活化作用的非離子球殼留到聚醚側鏈上稱之為章魚機制見圖7
圖6醚基聚羧酸酯的結構示意圖
圖7mn不同時PCE類活性劑三種可能的結構示意圖以及它們的吸附機理
a.FS10
分子量為10000分子呈對稱梳形結構結構式如圖6由帶有較高電荷的主鏈和不帶電的側鏈組成主側鏈鏈長3.0nm×3.2nm不帶電側鏈可起到空間位阻和潤滑作用因此FS10既有大分子聚電解質的優點空間位阻和高的電荷密度又有短鏈外加劑優越的移動性
b.FS20
分子量為8000分子呈非對稱梳形結構主側鏈鏈長0.5nm×24.0nm結構式如圖6主鏈和側鏈長度與FS10的不同極性較強側鏈較長其吸附形態主要是梳形柔性吸附可形成網狀結構且其羧基可產生靜電排斥作用表現出較高的立體效應
1.4有機非離子型表面活性劑
聚乙二醇PEG400Polyethyleneglycol是一種非離子型表面活性劑主要靠氫鍵與粒子發生作用從而達到分散目的分子式HOCH2CH2OnHn=8.7分子鏈長約2.9nm結構式如下
圖8PEG的結構式
2分散劑的作用機理
2.1非離子型表面活性劑
非離子型表面活性劑主要用空間位阻理論HVO理論來解釋有關該理論的解釋較多但主要是指兩種效應1體積限制效應當兩個表面帶有高分子吸附層的粒子相互靠近時彼此之間的吸附只是靠近或受擠壓體積有所縮小但不相互滲透;而高分子鏈則由于空間限制使其自身可能構型數減少構型熵就減少增加了體系的自由能而產生排斥作用2滲透效應當吸附有高分子表面活性劑的粒子相互靠近時表面上的分子鏈會相互穿插其相互間的斥位能就源于局部濃度的增大這非非熱力學自發過程所以體系出于穩定分散狀態圖9是分散劑的空間位阻作用圖10是兩種作用各自理想的狀況實質上是兩種作用兼有
圖9分散劑的空間位阻作用
圖10兩個帶有高聚物吸附層膠粒A相互作用情況
2.2離子型分散劑
離子型分散劑其作用機理主要用DLVO理論來解釋有時還涉及到空間位阻理論聚合物類外加劑常見吸附模型有尾式吸附模型環式吸附模型和臥式吸附模型有時還有架橋吸附見圖11依據DLVO理
圖11聚合物常見吸附模型a臥式吸附b環式吸附c尾式吸附d架橋吸附
圖12顆粒間的相互作用位能曲線
論即分散體系的穩定性取決于兩分散相粒子間的靜電斥力VR和倫敦范德華引力即色散力VA的總和V值的大小V=VR+VA總和V是如圖12所示的具有極大值Vmax的曲線其曲線峰的高度Vmax定量表現出抗凝集的斥力動能勢壘大小Vmax越大分散穩定性也越大而Vmax與粒子表面ξ-電位有密切關系ξ-電位越大Vmax值越大
原標題耐火澆注料常用分散劑的種類及作用機理
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