粉體顆粒在液相中的分散過程淺析

一、顆粒在液相中分散過程

超細(xì)粉體的分散介質(zhì)通常為氣體和液體。而本文只對(duì)超細(xì)粉體在液體中的分散進(jìn)行論述。顆粒分散過程分為四個(gè)階段：1、摻合，2、浸潤(rùn)，3、顆粒群(團(tuán)粒和團(tuán)塊)的解體，4、已分散顆粒的絮凝。事實(shí)上粉體在液體中的分散過程本質(zhì)上受兩種基本作用的支配：液體對(duì)粉體顆粒的影響，即粉體顆粒與液體的作用——浸濕；液體中粉體顆粒之間的相互作用。粉體顆粒在液體中分散機(jī)理也就是浸濕和在液體中粉體顆粒之間的相互作用。下面來討論粉體顆粒在液體中的分散過程。

1、浸濕

粉體顆粒被液體浸濕的過程實(shí)際上就是液體和氣體之間爭(zhēng)奪粉體表面的過程。這關(guān)鍵取決于粉體表面與液體的極性差異。粉體顆粒被液體浸濕的過程主要是顆粒表面的潤(rùn)濕性。浸濕性能通常用潤(rùn)濕接觸角θ來度量。潤(rùn)濕接觸角θ的表達(dá)式如下所示：

具有完全潤(rùn)濕性的顆粒，它們沒有接觸角，很易被液體浸濕。不完全潤(rùn)濕粉體(0<90。)，它們能否被液體浸濕取決于顆粒的密度及粒度，密度及粒度足夠大，顆粒將被浸濕到液體中。流體動(dòng)力學(xué)條件對(duì)粉體的浸濕也有重要的作用，提高液體湍流強(qiáng)度可降低粉體的浸濕粒度。從潤(rùn)濕熱的角度來分析浸濕的過程，當(dāng)清潔的固體表面被液體潤(rùn)濕時(shí)，通常會(huì)放出熱量，這種熱稱為潤(rùn)濕熱。潤(rùn)濕過程其實(shí)就是固/氣界面的消失和固/液界面的形成，因此潤(rùn)濕熱可以下述公式表示：

潤(rùn)濕熱描述了液體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度，如果潤(rùn)濕熱越大，說明固體在液體中潤(rùn)濕程度越好，反之則越差。

2、固體在液體中粉體顆粒在液體中的團(tuán)聚狀態(tài)

粉體顆粒被浸濕后，在液體中所發(fā)生的主要是粉體顆粒的分散和聚團(tuán)的動(dòng)態(tài)可逆過程，即分散↔聚團(tuán)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。而在分散體系中可逆過程的反應(yīng)方向主要取決于：粉體顆粒間的相互作用以及顆粒所處的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和物理場(chǎng)。粉體顆粒間的相互作用力主要包括：分子作用力、雙電層靜電力、結(jié)構(gòu)力以及因吸附高分子而產(chǎn)生的空間效應(yīng)力。

3、顆粒分散體系的分類

分散系是指一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)里被分散成微小粒子的體系。分散體系包括分散相和分散介質(zhì)。被分散的物質(zhì)稱為分散相，而另一種物質(zhì)叫分散介質(zhì)。根據(jù)不同的依據(jù)，分散體系的分類也不盡相同。分散體系按聚集狀態(tài)分類表：

二、顆粒在液相中的常見分散技術(shù)

通過超細(xì)顆粒在液相中分散過程的分析得出增強(qiáng)超細(xì)顆粒的分散手段，即選擇合適的溶劑或溶液提高粉體的潤(rùn)濕熱，使?jié)櫇褡园l(fā)進(jìn)行；設(shè)計(jì)高效的分散機(jī)械使得分散有效體積和能量利用率得以提高；選擇合適的分散劑，使破碎后原生粒子十分穩(wěn)定，阻止再團(tuán)聚。顆粒分散按分散作用目的可分為預(yù)先分散和裂解團(tuán)聚分散。從分散方式來分可分為物理分散和學(xué)分散。物理分散有機(jī)械分散、超聲分散、電磁分散和撞擊流法等。而化學(xué)分散則是利用分散劑不同的分散機(jī)理來達(dá)到對(duì)顆粒的分散。 

1、物理分散

A、機(jī)械分散

主要利用強(qiáng)烈攪拌所產(chǎn)生的沖擊、剪切以及拉伸等機(jī)械力來阻止聚團(tuán)或碎解聚團(tuán)，從而達(dá)到分散的目的。顆粒被部分浸濕后，用機(jī)械的力量使剩余的聚團(tuán)碎解。浸濕過程中的攪拌能增加聚團(tuán)的碎解程度，從而加快了整個(gè)分散過程。

B、超聲分散

超聲波(20KHz--5×108Hz)具有波長(zhǎng)短，近似直線傳播，能量容易集中，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，并可導(dǎo)致液相中的空化作用。利用超聲波進(jìn)行分散的方法稱為超聲波分散。

C、電磁分散

利用鐵磁性攪拌棒在交變電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的分散。這種方法對(duì)超細(xì)粉體分散的效果不明顯。

D、撞擊流法

利用射流撞擊器在撞擊碰撞的過程中產(chǎn)生的高壓、高速湍流以及超聲波作用來對(duì)顆粒進(jìn)行分散的過程。撞擊流技術(shù)適合粉體亞微米級(jí)的分散。以上介紹了物理分散的幾種類型，但物理分散存在一個(gè)共同的問題是，一旦離開物理方法產(chǎn)生的湍流場(chǎng)，外部環(huán)境復(fù)原，粉體顆粒可能重新聚團(tuán)。但作為*常用的分散手段，通過設(shè)計(jì)合適的分散機(jī)械提高體積和能量利用率是非常有研究?jī)r(jià)值的。

2、化學(xué)分散

化學(xué)分散是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種分散方法。從顆粒分散機(jī)理出發(fā)通過改變粉體表面的性能(通常加分散劑)，從而改變粉體顆粒和液體之間以及粉體顆粒自身之間的相互作用，達(dá)到粉體顆粒分散的目的。超微粒子的表面改性及粒子復(fù)合，在超細(xì)粉體制備技術(shù)中通常稱為粒子設(shè)計(jì)。

A、分散劑

分散劑是指能使物質(zhì)分散于水等介質(zhì)中而成膠體溶液的物質(zhì)，主要作用是降低微粒間的結(jié)合力而防止絮凝或附聚。分散劑主要包括三大類：無機(jī)電解質(zhì)(LPL、SS、NaOH等)、有機(jī)高聚物(聚丙烯酰胺系列、聚氧化乙烯系列、單寧、木質(zhì)素等天然高分子等)、表面活性劑。不同種類的分散劑分散機(jī)理是各不相同。

B、分散劑的選擇

根據(jù)以上對(duì)各種分散劑機(jī)理的分析，結(jié)合DLVO理論、空間位阻理論和空缺穩(wěn)定理論，選擇分散劑應(yīng)把握以下兩個(gè)原則：

1）能增加位壘Umax的高度，即提高粒子的表面電荷量，從而提高粒子的靜電排斥作用，以達(dá)到粒子分散穩(wěn)定性的目的。

2）粒子吸附分散劑后，吸附層在粒子周圍起到一個(gè)屏障作用，防止顆粒相互接近，即利用吸附層的空間位阻作用來達(dá)到分散體系穩(wěn)定的目的。

研究表明化學(xué)分散對(duì)超細(xì)粉體的分散起到至關(guān)重要的作用，物理分散和化學(xué)分散有機(jī)地結(jié)合可以獲得*佳的分散效果。