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粉体颗粒在液相中的分散过程浅析
作者:惠丰金刚石   浏览:1134次   发布时间:2016-05-20 13:40

 

分散的实质就是使颗粒在一定环境下分离散开的过程。

1.在超细粉体的制备过程中,“粉碎与反粉碎”过程实际就是粉碎过程中新生粒子的分散和团聚问题,它对最终产品的细度起到至关重要的作用;

2.在粉体制备行业,粉体分散性的好坏直接影响着分级效果和分级产品的细度及均匀性;另外,分散性对粉体的输送、混合、均化和包装的作用也不容忽视;

3.在化工领域,如涂料、染料、油墨、化妆品等,分散及分散稳定性直接影响着产品的质量和性能;

4.在材料科学领域,某种元素(物质)在材料机体中的分散程度决定了材料的性能和质量。研究表明,材料的损坏断裂和腐蚀等主要是发生在材料的不均匀处及缺陷处。组成材料的不同组分的分散程度越高,材料的性能越好。

总之,在许多领域,分散已成为提高产品质量和性能以及提高工艺效率不可或缺的技术手段。

 

一、颗粒在液相中分散过程

超细粉体的分散介质通常为气体和液体。而本文只对超细粉体在液体中的分散进行论述。颗粒分散过程分为四个阶段:

1、掺合,

2、浸润,

3、颗粒群(团粒和团块)的解体,

4、已分散颗粒的絮凝。

 

事实上粉体在液体中的分散过程本质上受两种基本作用的支配:

1. 液体对粉体颗粒的影响,即粉体颗粒与液体的作用——浸湿; 

2. 液体中粉体颗粒之间的相互作用。

3. 粉体颗粒在液体中分散机理也就是浸湿和在液体中粉体颗粒之间的相互作用。下面来讨论粉体颗粒在液体中的分散过程。

 

1、浸湿

粉体颗粒被液体浸湿的过程实际上就是液体和气体之间争夺粉体表面的过程。这关键取决于粉体表面与液体的极性差异。粉体颗粒被液体浸湿的过程主要是颗粒表面的润湿性。浸湿性能通常用润湿接触角θ来度量。润湿接触角θ的表达式如下所示:

 

具有完全润湿性的颗粒,它们没有接触角,很易被液体浸湿。不完全润湿粉体(0<90。),它们能否被液体浸湿取决于颗粒的密度及粒度,密度及粒度足够大,颗粒将被浸湿到液体中。流体动力学条件对粉体的浸湿也有重要的作用,提高液体湍流强度可降低粉体的浸湿粒度。从润湿热的角度来分析浸湿的过程,当清洁的固体表面被液体润湿时,通常会放出热量,这种热称为润湿热。润湿过程其实就是固/气界面的消失和固/液界面的形成,因此润湿热可以下述公式表示:

 

润湿热描述了液体对固体的润湿程度,如果润湿热越大,说明固体在液体中润湿程度越好,反之则越差。

 

2、固体在液体中粉体颗粒在液体中的团聚状态 

       粉体颗粒被浸湿后,在液体中所发生的主要是粉体颗粒的分散和聚团的动态可逆过程,即分散↔聚团的循环运动。而在分散体系中可逆过程的反应方向主要取决于:粉体颗粒间的相互作用以及颗粒所处的流体动力学状态和物理场。粉体颗粒间的相互作用力主要包括:分子作用力、双电层静电力、结构力以及因吸附高分子而产生的空间效应力。

 

3、颗粒分散体系的分类

       分散系是指一种物质在另一种物质里被分散成微小粒子的体系。分散体系包括分散相和分散介质。被分散的物质称为分散相,而另一种物质叫分散介质。根据不同的依据,分散体系的分类也不尽相同。分散体系按聚集状态分类表:

 

 

 

二、颗粒在液相中的常见分散技术

       通过超细颗粒在液相中分散过程的分析得出增强超细颗粒的分散手段,即选择合适的溶剂或溶液提高粉体的润湿热,使润湿自发进行;设计高效的分散机械使得分散有效体积和能量利用率得以提高;选择合适的分散剂,使破碎后原生粒子十分稳定,阻止再团聚。颗粒分散按分散作用目的可分为预先分散和裂解团聚分散。从分散方式来分可分为物理分散和学分散。物理分散有机械分散、超声分散、电磁分散和撞击流法等。而化学分散则是利用分散剂不同的分散机理来达到对颗粒的分散。 

1物理分散

A、机械分散

      主要利用强烈搅拌所产生的冲击、剪切以及拉伸等机械力来阻止聚团或碎解聚团,从而达到分散的目的。颗粒被部分浸湿后,用机械的力量使剩余的聚团碎解。浸湿过程中的搅拌能增加聚团的碎解程度,从而加快了整个分散过程。

B、超声分散 

      超声波(20KHz--5×108Hz)具有波长短,近似直线传播,能量容易集中,从而产生强烈振动,并可导致液相中的空化作用。利用超声波进行分散的方法称为超声波分散。 

C、电磁分散 

      利用铁磁性搅拌棒在交变电压产生的磁场中的运动来实现对颗粒的分散。这种方法对超细粉体分散的效果不明显。 

D、撞击流法

      利用射流撞击器在撞击碰撞的过程中产生的高压、高速湍流以及超声波作用来对颗粒进行分散的过程。撞击流技术适合粉体亚微米级的分散。以上介绍了物理分散的几种类型,但物理分散存在一个共同的问题是,一旦离开物理方法产生的湍流场,外部环境复原,粉体颗粒可能重新聚团。但作为最常用的分散手段,通过设计合适的分散机械提高体积和能量利用率是非常有研究价值的。

 

2化学分散

       化学分散是工业生产中广泛应用的一种分散方法。从颗粒分散机理出发通过改变粉体表面的性能(通常加分散剂),从而改变粉体颗粒和液体之间以及粉体颗粒自身之间的相互作用,达到粉体颗粒分散的目的。超微粒子的表面改性及粒子复合,在超细粉体制备技术中通常称为粒子设计。

A、分散剂

      分散剂是指能使物质分散于水等介质中而成胶体溶液的物质,主要作用是降低微粒间的结合力而防止絮凝或附聚。分散剂主要包括三大类:无机电解质(LPL、SS、NaOH等)、有机高聚物(聚丙烯酰胺系列、聚氧化乙烯系列、单宁、木质素等天然高分子等)、表面活性剂。不同种类的分散剂分散机理是各不相同。

B、分散剂的选择

根据以上对各种分散剂机理的分析,结合DLVO理论、空间位阻理论和空缺稳定理论,选择分散剂应把握以下两个原则:

1)能增加位垒Umax的高度,即提高粒子的表面电荷量,从而提高粒子的静电排斥作用,以达到粒子分散稳定性的目的。

2)粒子吸附分散剂后,吸附层在粒子周围起到一个屏障作用,防止颗粒相互接近,即利用吸附层的空间位阻作用来达到分散体系稳定的目的。

研究表明化学分散对超细粉体的分散起到至关重要的作用,物理分散和化学分散有机地结合可以获得最佳的分散效果。