中國(guó)粉體網(wǎng)訊 團(tuán)聚與分散是顆粒(尤其是細(xì)粒、超細(xì)粒子)在介質(zhì)中兩個(gè)方向相反的行為。在氣相或液相中,顆粒由于相互作用力而形成聚合狀態(tài)成為團(tuán)聚;顆粒彼此互不相干,能自由運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)稱為分散。
顆粒的分散技術(shù)應(yīng)用日益廣泛,遍及化工、冶金、食品、醫(yī)藥、涂料、造紙、建筑及材料等領(lǐng)域。在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域,如涂料、染料、油墨和化妝品中,分散及分散穩(wěn)定性直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能;在材料科學(xué)領(lǐng)域,復(fù)合材料及納米材料制備的成敗與超微粉體的分散穩(wěn)定性緊密相連。在超微粉體的制備、分級(jí)及加工過程中分散技術(shù)是最關(guān)鍵的技術(shù)?傊,分散已成為提高產(chǎn)品(材料)質(zhì)量和性能、提高工藝效率不可或缺的技術(shù)手段。
1 顆粒的團(tuán)聚狀態(tài)
顆粒的團(tuán)聚根據(jù)其作用機(jī)理可分為三種狀態(tài):
① 凝聚體
指以面相接的原級(jí)粒子,其表面積比其單個(gè)粒子組成之和小得多,這種狀態(tài)再分散十分困難。
② 附聚體
指以點(diǎn)、角相接的原級(jí)粒子團(tuán)族或小顆粒在大顆粒上的附著,其總表面積比凝聚體大,但小于單個(gè)粒子組成之和,再分散比較容易。
凝聚體和附聚體也稱二次粒子。
③ 絮凝
指由于體系表面積的增加、表面能增大,為了降低表面能而生成的更加松散的結(jié)構(gòu)。一般是由于大分子表面活性劑或水溶性高分子的架橋作用,把顆粒串聯(lián)成結(jié)構(gòu)松散似棉絮的團(tuán)狀物。在這種結(jié)構(gòu)中,離子間的距離比凝聚體或附聚體大得多。
2 顆粒在空氣中的團(tuán)聚與分散
1)顆粒在空氣中發(fā)生團(tuán)聚的原因
① 顆粒間的作用力
范德華力、靜電力和液橋力是造成顆粒在空氣中團(tuán)聚的最主要原因。這三種作用力中,靜電力與液橋力和范德華力相比小得多。
在空氣中,顆粒的團(tuán)聚主要是液橋力造成的,而在非常干燥的條件下則是由范德華力引起的。因此,在空氣狀態(tài)下,保持超微粉體干燥是防止團(tuán)聚的重要措施。另外,采用助磨劑和表面改性劑也是極有效的方法。
② 空氣的濕度
當(dāng)空氣的相對(duì)濕度超過65%時(shí),水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集,顆粒間因形成液橋而大大增強(qiáng)了團(tuán)聚作用。
2)顆粒在空氣中分散的途徑
① 機(jī)械分散
機(jī)械分散是指用機(jī)械力把顆粒團(tuán)聚打散,它的必要條件是機(jī)械力(指流體的剪切力及壓應(yīng)力)應(yīng)大于顆粒間的粘著力。通常機(jī)械力是由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪圓盤或高速氣流的噴射及沖擊作用所引起的氣流強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)造成的。
機(jī)械分散較易實(shí)現(xiàn),但由于這是一種強(qiáng)制性分散方法,盡管互相粘結(jié)的顆粒可以在分散器中被打散,但它們之間的作用力沒有改變,當(dāng)顆粒排出分散器后又有可能重新黏結(jié)聚團(tuán)。另外,機(jī)械分散可能導(dǎo)致脆性顆粒被粉碎,且當(dāng)機(jī)械設(shè)備磨損后其分散效果下降。
② 干燥分散
液橋力往往是分子間力的十倍或幾十倍,在潮濕空氣中,顆粒間形成的液橋是顆粒聚團(tuán)的主要原因。因此,杜絕液橋的產(chǎn)生或破壞已形成的液橋是保證顆粒分散的主要手段之一。
③ 表面改性
表面改性是指采用物理或化學(xué)方法對(duì)顆粒進(jìn)行處理,有目的地改變其表面物理化學(xué)性質(zhì)的技術(shù),使顆粒具有新的機(jī)能并提高其分散性。
由表中可看出:用不同改性劑、不同摻量處理CaCO3粉體,分散效果也不同。
④ 靜電分散
對(duì)于同質(zhì)顆粒,由于表面帶電形同,靜電力反而起排斥作用。因此,可以利用靜電力來進(jìn)行顆粒分散,問題的關(guān)鍵是如何使顆粒群充分帶電。采用接觸帶電、感應(yīng)帶電等方式可以使顆粒帶電,但最有效的方法是電暈帶電,使連續(xù)供給的顆粒群通過電暈放電形成離子電簾,使顆粒帶電。
3 顆粒在液體中的團(tuán)聚與分散
1)固體顆粒的潤(rùn)濕
顆粒表面濕潤(rùn)性對(duì)粉體的分散具有重要意義,是粉體分散、固液分離、表面改性和造粒等工藝的理論基礎(chǔ)。固體顆粒被液體潤(rùn)濕的過程主要基于顆粒表面的潤(rùn)濕性。(欲了解粉體的潤(rùn)濕性,請(qǐng)戳鏈接:每周一問|你知道粉體的濕潤(rùn)是什么嗎?)
根據(jù)表面接觸角的大小,固體顆粒可分為親水性和疏水性兩大類,具體分類見表2。
2)顆粒在液體中分散的途徑
① 介質(zhì)調(diào)控
根據(jù)顆粒的表面性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì),可以獲得充分分散的懸浮液。選擇分散介質(zhì)的基本原則是:非極性顆粒易于非極性液體中分散;極性顆粒易于在極性液體中分散,即所謂相同極性原則。
另外,相同極性原則需要同一系列確定的物理化學(xué)條件相配合才能保證良好分散的實(shí)現(xiàn)。
② 分散劑調(diào)控
顆粒在液體中的良好分散所需的物理化學(xué)條件,主要是通過加入適量的分散機(jī)來實(shí)現(xiàn)的,分散機(jī)的加入強(qiáng)化了顆粒間的相互排斥作用。常用的分散劑主要有:無機(jī)電解質(zhì)、表面活性劑和高分子分散劑。
③ 超聲調(diào)控
超聲調(diào)控是把需要處理的工業(yè)懸浮液直接置于超聲場(chǎng)中,控制恰當(dāng)?shù)某曨l率及作用時(shí)間,以使顆粒充分分散。
超聲波對(duì)納米顆粒的分散更為有效,超聲波分散就是利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓、強(qiáng)沖擊波和微射流等,較大幅度地弱化納米微粒間的納米作用能,有效防止納米微粒團(tuán)聚而使之充分分散。但應(yīng)當(dāng)避免使用過熱超聲攪拌,因?yàn)殡S著熱能和機(jī)械能的增加,顆粒碰撞的幾率也增加,反而導(dǎo)致進(jìn)一步的團(tuán)聚。
④ 機(jī)械攪拌調(diào)控
機(jī)械攪拌分散是指通過強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌方式引起液流強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沖擊、剪切力及拉伸等機(jī)械力而使顆粒團(tuán)聚碎解懸浮。
機(jī)械攪拌的主要問題是:一旦顆粒離開機(jī)械攪拌產(chǎn)生的湍流場(chǎng),外部環(huán)境復(fù)原,它們又有可能重新形成聚團(tuán)。因此,用機(jī)械攪拌加化學(xué)分散劑的雙重作用往往可獲得更好的分散效果。