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

超細粉體的分散介質(zhì)通常為氣體和液體。而本文只對超細粉體在液體中的分散進行論述。顆粒分散過程分為四個階段：1、摻合，2、浸潤，3、顆粒群(團粒和團塊)的解體，4、已分散顆粒的絮凝。事實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際上就是液體和氣體之間爭奪粉體表面的過程。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濕性。浸濕性能通常用潤濕接觸角θ來度量。潤濕接觸角θ的表達式如下所示：

具有完全潤濕性的顆粒，它們沒有接觸角，很易被液體浸濕。不完全潤濕粉體(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。流體動力學(xué)條件對粉體的浸濕也有重要的作用，提高液體湍流強度可降低粉體的浸濕粒度。從潤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濕時，通常會放出熱量，這種熱稱為潤濕熱。潤濕過程其實就是固/氣界面的消失和固/液界面的形成，因此潤濕熱可以下述公式表示：

潤濕熱描述了液體對固體的潤濕程度，如果潤濕熱越大，說明固體在液體中潤濕程度越好，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的動態(tài)可逆過程，即分散↔聚團的循環(huán)運動。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力學(xué)狀態(tài)和物理場。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)

通過超細顆粒在液相中分散過程的分析得出增強超細顆粒的分散手段，即選擇合適的溶劑或溶液提高粉體的潤濕熱，使?jié)櫇褡园l(fā)進行；設(shè)計高效的分散機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，阻止再團聚。顆粒分散按分散作用目的可分為預(yù)先分散和裂解團聚分散。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理來達到對顆粒的分散。 

1、物理分散

A、機械分散

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

B、超聲分散

超聲波(20KHz--5×108Hz)具有波長短，近似直線傳播，能量容易集中，從而產(chǎn)生強烈振動，并可導(dǎo)致液相中的空化作用。利用超聲波進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)生的磁場中的運動來實現(xiàn)對顆粒的分散。這種方法對超細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顆粒進行分散的過程。撞擊流技術(shù)適合粉體亞微米級的分散。以上介紹了物理分散的幾種類型，但物理分散存在一個共同的問題是，一旦離開物理方法產(chǎn)生的湍流場，外部環(huán)境復(fù)原，粉體顆粒可能重新聚團。但作為*常用的分散手段，通過設(shè)計合適的分散機械提高體積和能量利用率是非常有研究價值的。

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，在超細粉體制備技術(shù)中通常稱為粒子設(shè)計。

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：無機電解質(zhì)(LPL、SS、NaOH等)、有機高聚物(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理是各不相同。

B、分散劑的選擇

根據(jù)以上對各種分散劑機理的分析，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到分散體系穩(wěn)定的目的。

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