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粉体分散的概念及意义
2022年12月07日 发布 分类:粉体入门 点击量:819
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粉体分散是指粉体颗粒在介质中分离散开并在整个介质中均匀分布的过程。按照分离介质的不同,粉体的分散体系主要有两种:粉体在气相中分散、粉体在液相中的分散。在工业生产和科学研究过程中,保持粉体尤其是超细颗粒在不同体系中的分散具有重要意义。

粉体的分散体系

许多工业加工过程的成败甚至完全取决于粉体颗粒能否良好分散。如对于在空气中的固体颗粒,只有保证分散,才能通畅地输运粉体物料;同样,只有在充分分散状态下,才能实 现细粉的干法分级。对于固体颗粒分散在液相中的产品,其质量和性能与颗粒的分散状况密切相关。

在化工领域,将超细TiOz粉体分散在水或有机溶剂中以制成具有抗紫外、自清洁或 光催化等特殊功能的涂料,将某些具有特殊电磁性的超细颗粒分散在液相介质中以制成导电 浆料或磁性浆料,将纳米级磨粒分散在液体中可制成高效化学机械抛光液等。这些涂料、功 能浆料、抛光液以及染料、油墨、化妆品等产品制备的基本要求是其颗粒在液相中的均匀分散。

在材料科学领域,原料粉体的均匀分散是采用胶态成型方法获得具有较好显微结构和性能的特种陶瓷制品的前提。微细矿粒的分选,要求它们首先在矿浆中充分分散。

纳米材料的合成及利用现已成为高科技领域的热门课题,其中的关键问题是如何保证纳米颗粒在其合成 的各个环节和后续的应用过程中保持分散而不团聚“长大”。粉体的分散也是制备高性能复 合材料的基础。

将无机粒子加入到某种基体中,可大大改善其性能,并可能产生一些新的特性,而粒子在基体中的均匀分散是发挥其作用的前提和保证。如把AI2O3颗粒分散到橡胶中,可提高橡胶的耐磨性和介电性;AI2O3颗粒加入到玻璃中,可明显改善玻璃的脆性;在纺织原料中加入具有特殊性质的超微颗粒,可以制造出具有特殊的抗紫外线、吸收可见光和红外 线、防静电、抗菌除臭等功能性的新型织物。另外,在粉体的测试中,如果粉体试样没有充分分散,即便使用很精密的仪器,也难以得到精确的测量结果。粉体分散的重要性已深入到 冶金、化工、食品、医药、涂料、造纸、建筑及材料等领域。

粉体在空气中的分散

颗粒的分散与凝聚是颗粒群中粒子存在的两种不同状态,也是颗粒,尤其是细粒、超细粒在介质中两个方向相反的基本行为。颗粒彼此互不相干,能自由运动的状态称为分散;互相黏附,联结成聚集体的状态称为凝聚。超细颗粒,特别是微米或纳米级颗粒,在空气中极 易黏结成团,发生凝聚,这种现象给超细粉体的加工带来极为不利的影响。分级、粒度测量、混合及储运等作业的进行,在很大程度上都依赖于颗粒的分散程度。

一、空气中颗粒凝聚作用力

空气中造成颗粒凝聚的根源是粒间吸引力,有以下几种。

1.分子作用力(范德华力)

范德华力是分子间的一种短程吸引力,与分子间距离的7次方成反比,作用距离极短, 约1 nm。但对于由大量分子集合体构成的体系,因为存在着多个分子的综合相互作用,随着 颗粒间距离的增大,其分子作用力的衰减程度明显变缓,颗粒间分子作用力的有效间距可达50nm,因此是长程力。

2.颗粒间的静电作用力

在干空气中大多数颗粒带有自然荷电。荷电的途径有三个∶①颗粒在其生产过程中荷电,例如电解法或喷雾法可使颗粒带电,在干法研磨过程中颗粒靠表面摩擦而带电。②与荷电表面接触可使颗粒接触荷电。③气态离子的扩散作用是颗粒带电的主要途径,气态离子由电晕放电、放射性、宇宙线、光电离及火焰的电离作用产生。颗粒获得的最大电荷量受限于其周围介质的击穿强度,在干空气中约为1.7×10°电子/cm²,但实际观测的数值往往要低得多。气体中粒子间静电力主要来源于电位差、库仑力和镜像力。

3.液桥力

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 增强了黏结力。这是由于蒸气压的不同和颗粒表面 不饱和力场的作用,大气中的水因凝结或吸附在粒 子表面,形成了水化膜。其厚度视粒子表面的亲水 程度和空气的湿度而定。亲水性越强,湿度越大, 则水屜厚。当表面水多到粒子接触点处形成透镜 状或稣状的液相时,开始产生液桥力,加速颗粒的聚 集。在上述情况下,粒间液相还互不连接,此种状态称为摆动状态。随液体的增多,还可形成多种不同状态。

湿物料粒间液相状态

4.固体桥

颗粒材料经烧结、熔融或再结晶,颗粒间可形成固体桥,也是颗粒聚集的重要因素。但 通常难以计算,而是靠实验测得。由此可见,在一般情况下,前三种力对粒子在空气中的凝聚行为是最为重要的。

粉体在液体中的分散

根据液相介质的不同,粉体在液体中的分散体系可分为水相体系和非水相体系。固体颗粒在液体中的分散过程,本质上受两种基本作用支配,即固体颗粒与液体的相互作用——湿(immersion)及在液体中固体颗粒之间的相互作用。

颗粒在液面的漂浮受力状况

粉体分散的评价方法

1.显微镜法

将分散前后的粉体在同样条件下按相同的方法制备样品,采用相对应的各种显微镜进行 观测、拍照,以比较分散性的好坏。

2.黏度测量法

当悬浮液流动时,介质本身、介质和固体颗粒之间、固体颗粒之间都会产生相互作用, 导致悬浮液黏度的变化。以水为介质时,介质和固体颗粒及固体颗粒之间的作用成为影响黏 度变化的主要因素。悬浮液的流变学性质(黏度)可用以评价固体颗粒悬浮液分散和稳定性的好坏。

3.沉降法

用重力沉降法对分散效率进行初步筛选简单易行。

如果粉体分散得不好,那么颗粒就会因随机接触而附着形成较大的团聚体,在进一步的 沉降过程中,较小的颗粒被沉降更快的较大的颗粒所夹带一起下沉,结果是使悬浮液的下部 为不透明的颗粒沉积相,其间为一突变的澄清界面使固液分开;相反,假定分散体没有絮凝, 结果是较大的颗粒快速沉降,上部留下较小的颗粒.其沉降速度慢得多,这就导致颗粒悬浮 体的上层有一定程度的浊度。因此,根据静置过程中粉体水悬浮液上层的外观为基础可用以 判断分散稳定性的好坏。此外,测量澄清界面向下移动速度;或在相同时间里.从固定位置 抽取定容悬浮液,测量其粒子浓度;还可测量沉积物体积变化等,用这些方法都能评价其粉 体的分散性。

4.粒度分布测量法

在同样预处理条件下,在相同的仪器上测定悬浮液中固体颗粒的粒度分布,一般来说, 分散后体系中细颗粒的个数增加,粒度分布变窄

5.分光光度法

将分散与否的悬浮液,经过离心沉降或重力沉降等手段相同处理后,吸取上层清液,在分光光度计上测定一定波长入射光下的透光度或吸光度的大小来评价悬浮液的分散性。


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