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    NS-90Z Plus納米電位儀表征鈦酸鋇粉體在非水性體系中的Zeta電位

    專欄:技術論文發布時間:2023-11-14作者:

    在半導體領域,MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor,多層片式陶瓷電容器)作為一種高端電子元器件,在陶瓷電容器中產值占比超過90%,應用領域極其寬泛。納米鈦酸鋇粉體正是制備MLCC的核心原材料。 

    鈦酸鋇作為電介質材料,具備出色的介電性能,具有高介電常數、低介質損耗和良好的可調性。通過引入微量的改性化合物,我們能夠廣泛調整材料的介電常數和居里溫度。MLCC產品制備前期,需要將鈦酸鋇粉體、有機溶劑、粘合劑等物料按一定比例混合,通過高速研磨機進行分散,形成陶瓷漿料。在合適的瓷漿配方的基礎上,穩定、均質的陶瓷漿料對于制造性能優良的MLCC制品具有重要的意義。 

    本文使用電泳光散射技術表征了非水相分散體系中納米鈦酸鋇的Zeta電位,探討了不同改性工藝的鈦酸鋇粉體對于MLCC產品制備前期陶瓷漿料的穩定性的影響。

    所有實驗均采用珠海歐美克儀器的NS-90Z Plus納米粒度及電位分析儀,NS-90Z Plus納米粒度電位儀同時具有Zeta電位、納米粒徑及分子量的分析測試功能,適用于多種不同的納米乳液、懸浮液、聚合物、生物顆粒等的尺寸和表面電位測量,能廣泛應用于精細化工行業納米材料、表活、低聚物等的開發和生產質控,同時也是油墨、醫藥制劑等行業產品開發及質控的通用測試儀器。

     產品1.jpg

                                                         NS-90ZPlus納米粒度及電位分析儀

     

    概念及原理

    Zeta電位

    分散在分散液中的顆粒表面攜帶的凈電荷影響顆粒界面周圍區域的離子分布,導致表面抗衡離子(與顆粒電荷相反的離子)濃度增加。于是,每個顆粒周圍均存在雙電層。分別是內層的嚴密層和外層的滑移層?;茖右詢?,所有的離子、介質隨著顆粒一起運動。這個邊界稱為流體力學剪切層或滑動面(slipping plane)。在這個邊界上存在的電位即稱為Zeta電位。Zeta電位是表征膠體分散系穩定性的重要指標之一。

     粉體樣品Zeta電位測量方法開發應用實例_Emily.wu edited_V21002.png

    電泳光散射

    帶電顆粒在外加電場作用下發生定向移動,當光束照到顆粒上時,就會引起散射光的頻移(即多普勒頻移)。顆粒運動速度與光的頻移幅度成正比,因此可以通過測量光的頻移間接測量顆粒的電泳速度,再通過應用Henry方程求出Zeta電位。電泳光散射法是測量Zeta電位應用最廣的方法。

    樣品制備

    分別將不同工藝的鈦酸鋇粉體以一定濃度分散在同一配方的非水性分散體系中,混合均勻,形成陶瓷漿料。

    將新配置的鈦酸鋇漿料在室溫下靜置不同時間多次測量其Zeta電位,得到Zeta電位隨時間的變化曲線。

    結果和討論

    粉體樣品Zeta電位測量方法開發應用實例_Emily.wu edited_V21255.png 

    圖1  鈦酸鋇5#漿料對于放置時間的Zeta電位趨勢圖

    圖1展示了新配置5#漿料的Zeta電位隨放置時間的變化曲線??梢钥吹絑eta電位均為正值,說明其攜帶正電。Zeta電位的幅值隨著靜置時間的延長有先增大后穩定的趨勢。剛配制時Zeta電位為37.2mV,靜置4h以后Zeta電位升高至40.5mV左右,趨于穩定。

    粉體樣品Zeta電位測量方法開發應用實例_Emily.wu edited_V21416.png 

    圖2  鈦酸鋇6#漿料對于放置時間的Zeta電位趨勢圖

    由圖2可見,6#漿料的Zeta電位也均為正值,說明其攜帶正電。Zeta電位的幅值隨著靜置時間的延長先減小后穩定。剛配制時Zeta電位均值為24.9mV,靜置4h以后Zeta電位降低至18.5mV左右,并趨于穩定。

     

    對于兩個體系,都有新配置漿料的Zeta電位重現性不佳,但室溫靜置數小時后Zeta電位重現性變好的現象。以6#樣品為例。

    QQ截圖20231108113512.jpg

    這是由于剛配置陶瓷漿料體系中鈦酸鋇顆粒的分散還沒達到穩定,因此顆粒表面的電荷密度也未趨于穩定。隨著靜置時間的加長,顆粒分散程度及表面電荷密度都逐漸趨向穩定了。因此,在表征新配置漿料的Zeta電位時,建議做靜置時間的滴定測量,取穩定后平臺區的結果作為該體系的Zeta電位更可靠。


    另外,較高的Zeta電位意味著顆粒間的排斥力大于吸引力,具有較低的團聚趨向,體系更穩定。從圖1和圖2可以看到,5#漿料的Zeta電位穩定于40.5mV,6#是18.5mV,5#漿料體系更穩定。

     QQ截圖20231108113528.jpg

    結論

    在MLCC的制造工藝中,瓷漿穩定性對于電容器有著極為重要的影響。本文通過NS-90Z Plus對納米鈦酸鋇瓷漿穩定性進行了一系列的比對評價,指出了針對此類應用的可靠方法。

    需要強調的是,影響體系穩定性的因素很多,比如顆粒大小、密度,體系中顆粒物的濃度,體系的配方,環境溫度,外力影響等等;我們需要根據實際應用場景,系統全面地評估各項因素對于體系穩定性的影響,從而找到更好的工藝方案。

    最后,希望在歐美克儀器相關分析儀器的助力下,我國電子陶瓷材料能夠快速發展,民族電子工業早日實現騰飛。

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