摘要 (Abstract)
本研究旨在探究一种高效的聚丙烯酸铵类分散剂 Dolapix CE 64 在制备高固相含量、低黏度的亚微米级氧化锆（ZrO₂）水基悬浮液中的分散性能。通过调节悬浮液的 pH 值和 Dolapix CE 64 最佳添加量，结合流变学分析（黏度测量）和沉降稳定性测试，确定了制备高稳定 ZrO₂浆料的最佳工艺参数。研究结果表明，Dolapix CE 64 能通过空间位阻和静电斥力双重机制有效阻止 ZrO₂颗粒团聚，为氧化锆陶瓷的流延成型或凝胶注模工艺提供了理论与实践基础。
一、引言 (Introduction)
1.1 研究背景氧化锆陶瓷因其优异的力学性能（高强度、高韧性）和生物相容性，在结构陶瓷、生物医学材料和功能材料等领域应用广泛。制备高性能陶瓷的关键在于获得均匀、高固相含量的悬浮液（浆料）。亚微米级 ZrO₂颗粒具有高比表面积，在水中极易因范德华力而团聚，导致浆料黏度高、流动性差、烧结后陶瓷组织不均匀。
1.2 研究目的本研究的目的是筛选并优化分散剂 Dolapix CE 64 的使用条件，实现 ZrO₂悬浮液的稳定分散和低黏化，为后续陶瓷成型工艺提供合格的悬浮液。
二、实验材料与方法 (Experimental Methods)
2.1 主要材料
- 陶瓷粉体：亚微米级稳定型氧化锆粉体（Y-TZP 或 PSZ），平均粒径约 0.3 ～ 0.5μm。
- 分散剂：Dolapix CE 64（聚丙烯酸铵盐）。
- 介质：去离子水。
- pH 调节剂：稀释的盐酸 (HCl) 和氢氧化钠 (NaOH) 溶液。
2.2 实验步骤
- 制备悬浮液：将固定质量百分比（如 40wt% 或 50vol%）的 ZrO₂ 粉体加入去离子水和不同浓度的 Dolapix CE 64 中。
- 分散处理：使用球磨机或超声波分散仪对悬浮液进行充分分散。
- pH 优化：使用 HCl 和 NaOH 调节浆料的 pH 值，记录不同 pH 下的黏度。
- 性能测试：
- 流变性能测量：使用旋转黏度计测量悬浮液在不同剪切速率下的表观黏度。
- 沉降性能：测量悬浮液在静置一段时间后的沉降体积比或澄清液高度。
- 电位分析：测量 ZrO₂ 颗粒在不同 pH 和分散剂浓度下的 Zeta 电位。
三、结果与讨论 (Results and Discussion)
3.1 pH 值对悬浮液分散性能的影响
- 等电点 (IEP)：测量结果显示 ZrO₂颗粒在水中存在一个特定的等电点（通常在 pH6.5～7.5 附近）。
- 最差分散性：在等电点附近，颗粒表面电荷为零，静电斥力消失，黏度达到最大值，沉降稳定性最差。
- 最佳 pH 范围：加入 Dolapix CE 64 后，浆料的最低黏度往往出现在碱性区域（如 pH9～10）。在这一范围内，颗粒表面带有高密度负电荷，与 Dolapix CE 64 分子链的吸附协同作用，使得颗粒间的静电斥力和空间位阻最大化。
3.2 Dolapix CE 64 最佳添加量
研究发现，随着 Dolapix CE 64 添加量增加，悬浮液的黏度先迅速下降，达到最低点后又开始上升。
- 最佳添加量：当分散剂添加量达到某一临界值（例如，粉体质量的 0.8wt%～1.2wt%）时，悬浮液的黏度最低。这是因为此时颗粒表面被分散剂分子饱和吸附，提供最大斥力。
- 过量影响：当分散剂过量时，多余的自由分散剂分子增加了悬浮液的液相黏度，反而导致整体黏度升高，并可能在颗粒间产生 “架桥作用”，降低稳定性。
3.3 分散机制分析
Dolapix CE 64 作为一种阴离子型聚电解质，对 ZrO₂颗粒的分散机制主要包括：
- 静电斥力：Dolapix CE 64 分子带负电，吸附在颗粒表面后，增强了颗粒表面的负 Zeta 电位，产生的静电斥力使颗粒彼此远离。
- 空间位阻：聚丙烯酸铵的长链段在颗粒表面延伸形成一个 “保护层”，当颗粒靠近时，链段间的相互排斥（熵斥力）阻止颗粒团聚。
四、结论 (Conclusion)
本研究成功确定了使用 Dolapix CE 64 分散亚微米氧化锆粉体的最佳工艺窗口：
- 最佳 pH 值：悬浮液应在偏碱性环境（如 pH9.5）下进行分散。
- 最佳分散剂用量：推荐 Dolapix CE 64 的最佳添加量约为 ZrO₂粉体质量的 X%（具体数值根据实验结果而定，通常在 0.8wt%～1.2wt% 范围内）。
- 最终性能：在最佳条件下制备的 ZrO₂悬浮液具有高固相含量（例如 50vol%）、低黏度（例如在 100s⁻¹ 剪切速率下黏度低于 100mPa・s）以及优异的长期沉降稳定性，完全满足精密陶瓷成型工艺的要求。