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如何解决颗粒的团聚问题?

[导读] 团聚与分散是颗粒(尤其是细粒、超细粒子)在介质中两个方向相反的行为。在气相或液相中,颗粒由于相互作用力而形成聚合状态成为团聚;颗粒彼此互不相干,能自由运动的状态称为分散。


颗粒的分散技术应用日益广泛,遍及化工、冶金、食品、医药、涂料、造纸、建筑及材料等领域。在化学工业领域,如涂料、染料、油墨和化妆品中,分散及分散稳定性直接影响着产品的质量和性能;在材料科学领域,复合材料及纳米材料制备的成败与超微粉体的分散稳定性紧密相连。在超微粉体的制备、分级及加工过程中分散技术是最关键的技术。总之,分散已成为提高产品(材料)质量和性能、提高工艺效率不可或缺的技术手段。

1 颗粒的团聚状态


颗粒的团聚根据其作用机理可分为三种状态:


① 凝聚体


指以面相接的原级粒子,其表面积比其单个粒子组成之和小得多,这种状态再分散十分困难。


② 附聚体


指以点、角相接的原级粒子团族或小颗粒在大颗粒上的附着,其总表面积比凝聚体大,但小于单个粒子组成之和,再分散比较容易。


凝聚体和附聚体也称二次粒子。


③ 絮凝


指由于体系表面积的增加、表面能增大,为了降低表面能而生成的更加松散的结构。一般是由于大分子表面活性剂或水溶性高分子的架桥作用,把颗粒串联成结构松散似棉絮的团状物。在这种结构中,离子间的距离比凝聚体或附聚体大得多。


2 颗粒在空气中的团聚与分散


1)颗粒在空气中发生团聚的原因


① 颗粒间的作用力


范德华力、静电力和液桥力是造成颗粒在空气中团聚的最主要原因。这三种作用力中,静电力与液桥力和范德华力相比小得多。


在空气中,颗粒的团聚主要是液桥力造成的,而在非常干燥的条件下则是由范德华力引起的。因此,在空气状态下,保持超微粉体干燥是防止团聚的重要措施。另外,采用助磨剂和表面改性剂也是极有效的方法。


② 空气的湿度


当空气的相对湿度超过65%时,水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集,颗粒间因形成液桥而大大增强了团聚作用。


2)颗粒在空气中分散的途径


① 机械分散


机械分散是指用机械力把颗粒团聚打散,它的必要条件是机械力(指流体的剪切力及压应力)应大于颗粒间的粘着力。通常机械力是由高速旋转的叶轮圆盘或高速气流的喷射及冲击作用所引起的气流强湍流运动造成的。


机械分散较易实现,但由于这是一种强制性分散方法,尽管互相粘结的颗粒可以在分散器中被打散,但它们之间的作用力没有改变,当颗粒排出分散器后又有可能重新黏结聚团。另外,机械分散可能导致脆性颗粒被粉碎,且当机械设备磨损后其分散效果下降。


② 干燥分散


液桥力往往是分子间力的十倍或几十倍,在潮湿空气中,颗粒间形成的液桥是颗粒聚团的主要原因。因此,杜绝液桥的产生或破坏已形成的液桥是保证颗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学方法对颗粒进行处理,有目的地改变其表面物理化学性质的技术,使颗粒具有新的机能并提高其分散性。



由表中可看出:用不同改性剂、不同掺量处理CaCO3粉体,分散效果也不同。


④ 静电分散


对于同质颗粒,由于表面带电形同,静电力反而起排斥作用。因此,可以利用静电力来进行颗粒分散,问题的关键是如何使颗粒群充分带电。采用接触带电、感应带电等方式可以使颗粒带电,但最有效的方法是电晕带电,使连续供给的颗粒群通过电晕放电形成离子电帘,使颗粒带电。


3 颗粒在液体中的团聚与分散


1)固体颗粒的润湿


颗粒表面湿润性对粉体的分散具有重要意义,是粉体分散、固液分离、表面改性和造粒等工艺的理论基础。固体颗粒被液体润湿的过程主要基于颗粒表面的润湿性。(欲了解粉体的润湿性,请戳链接:每周一问|你知道粉体的湿润是什么吗?)


根据表面接触角的大小,固体颗粒可分为亲水性和疏水性两大类,具体分类见表2。


2)颗粒在液体中分散的途径


① 介质调控


根据颗粒的表面性质选择适当的介质,可以获得充分分散的悬浮液。选择分散介质的基本原则是:非极性颗粒易于非极性液体中分散;极性颗粒易于在极性液体中分散,即所谓相同极性原则。


另外,相同极性原则需要同一系列确定的物理化学条件相配合才能保证良好分散的实现。


② 分散剂调控


颗粒在液体中的良好分散所需的物理化学条件,主要是通过加入适量的分散机来实现的,分散机的加入强化了颗粒间的相互排斥作用。常用的分散剂主要有:无机电解质、表面活性剂和高分子分散剂。


③ 超声调控


超声调控是把需要处理的工业悬浮液直接置于超声场中,控制恰当的超声频率及作用时间,以使颗粒充分分散。


超声波对纳米颗粒的分散更为有效,超声波分散就是利用超声空化时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等,较大幅度地弱化纳米微粒间的纳米作用能,有效防止纳米微粒团聚而使之充分分散。但应当避免使用过热超声搅拌,因为随着热能和机械艿增加,颗粒碰撞的几率也增加,反而导致进一步的团聚。


④ 机械搅拌调控


机械搅拌分散是指通过强烈的机械搅拌方式引起液流强湍流运动产生冲击、剪切力及拉伸等机械力而使颗粒团聚碎解悬浮。


机械搅拌的主要问题是:一旦颗粒离开机械搅拌产生的湍流场,外部环境复原,它们又有可能重新形成聚团。因此,用机械搅拌加化学分散剂的双重作用往往可获得更好的分散效果。

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