超细粉体在液相中的分散性

http://www.paper.edu.cn -1- 超细粉体在液相中的分散性研究 王红军，李启厚，刘志宏，艾侃，张多默 中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙（410083） E-mail：wanghongjun1981@sohu.com 摘 要：本文介绍了近年来有关超细粉体颗粒在液相中的分散性研究进展，着重对不同分散 技术的分散稳定性进行了评价，提出了分散稳定机制与分散剂的作用，并对评估分散性能的 方法进行了探讨。 关键词：超细粉体；液相；分散性； 中图分类号：TF123.72 1. 引言 超细粉体通常是指尺寸大约在 1nm～1μm之间的微小固体颗粒[1]，由于其具有卓越的光 学、热学、电学及磁学等方面特性，愈来愈为世界各国的科技界和企业界所瞩目。超细粉体 颗粒具有极大的比表面积和较高的比表面能，处于热力学极不稳定状态，在制备和后处理过 程中极易发生粒子凝并、团聚，形成二次颗粒，使粒子粒径变大，最终在使用时失去超细粉 体所具备的特有功能。从某种意义上讲，超细粉体的分散技术是超细粉体技术中最关键的技 术。 2. 分散方法简介 2.1 物理分散 物理分散即用机械搅拌、超声波和振动等物理方法使物料分散。 超声波分散 超声波分散是一种降低超细粉体颗粒团聚的有效方法，其主要作用机理是超声波空化作 用。当超声波作用于液体时，液体中的微气泡在声场作用下振动、生长扩大、收缩和崩溃。 微气泡崩溃时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等可较大幅度地弱化超细粉体颗粒 间的作用能，有效地防止超细粉体颗粒团聚而使之充分分散。 彭刚等[2]研究发现超声分散对打开颗粒硬团聚作用不明显，而对分散原料中直径大于 50μm的大颗粒和由于分散剂造成的软团聚效果显著。另外，随着超声波作用时间的延长， 产生的热能和机械能增加，颗粒碰撞的几率增加，可能会进一步团聚形成团聚体，导致冲击 强度下降。所以，选择超声波分散超细粉体时，一定要把握合适的分散时间，一般 15～30min 为宜。 高剪切分散 高速剪切分散机的核心部分是定子/转子结构，转子高速旋转所产生的高切线速度和高 频机械效应带来强劲的动能，使物料在定子、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械剪切、液力 剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用，瞬间均匀分散。 采用高剪切分散实现超细粉体颗粒团聚体解团的效果并不理想。其原因是高剪切分散属 于机械力强制性解团方法，团聚体尽管在强制剪切力作用下解团，但颗粒间的吸附引力尤存， http://www.paper.edu.cn -2- 解团后可能又迅速团聚长大。 高剪切＋超声波复合分散 高剪切初步分散后，再经超声波复合分散，二者相得益彰，超声波弥补了高剪切分散的 不稳定性，使得超细颗粒在形成团聚体之前被进一步粉碎和细化，减小了颗粒间的作用能， 增强了它们间的排斥作用能。 2.2 化学分散 化学分散即加入分散剂，以改变颗粒的表面性质，导致体系分散。 分散剂对颗粒在悬浮介质中的稳定分散作用主要通过三种机制[3]，即： 静电稳定机制（Electrostic Stablization） 空间位阻稳定机制（Steric Stablization） 电空间稳定机制（Electrosteric Stablization） 静电稳定机制又称双电层稳定机制，即通过调节 pH值或加入电解质，使颗粒胶团表面 产生一定量的表面电荷，形成双电层，通过增大颗粒表面 Zeta 电位绝对值，提高颗粒间静 电排斥作用能，从而实现颗粒的稳定分散；空间位阻稳定机制，是在悬浮液中加入一定量的 不带电的高分子量化合物，使其吸附在颗粒上，产生并强化位阻效应，使颗粒间产生强位阻 排斥作用能，从而达到分散目的；电空间稳定机制，是在悬浮液中加入一定量高分子聚电解 质，使其吸附在粒子表面上，此时聚电解质既可通过本身所带电荷排斥周围粒子，又能通过 其空间位阻效应阻止周围粒子的靠近，两者的共同作用可实现复合稳定分散的效果。 2.3 物理—化学复合分散 单一的物理或化学分散都具有其自身不可避免的局限性，物理分散不能长期有效的保持 物料稳定性，而化学分散的前提是必须借助物理方法解团，使物料处于充分分散状态，进而 添加分散剂，通过表面键合，形成稳定分散。实际操作中中，超细粉体的分散往往是物理方 法和化学方法相互结合进行的，即通过物理方法分散液相中的物料，之后，采用化学方法， 使物料长期稳定分散，如图 1所示： 图 1 粒子在水中的稳定化模型[4] 3. 分散性能评价 超细粉体颗粒在液相中的稳定性包括两个方面的内容[5]： （1）若超细粉体颗粒在液相中的沉降速度慢，则认为粒子在该体系中的悬浮时间长， 分散稳定性好； （2）若超细粉体颗粒在液相中的粒径不随时间的增加而增大，则认为分散体系的稳定 http://www.paper.edu.cn -3- 性良好。 根据以上两个含义，近年来有关学者研究并开发了一系列评价超细粉体颗粒在液相中分 散稳定性的方法，在此，笔者加以归纳 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ，并就各自优缺点发表了个人的看法。 3.1 沉降速度 该种方法完全是按照超细粉体在液体中分散稳定性的第一层含义而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的，即通过测量 粉体在液相中的沉降速度，评价其分散性能的好坏。该方法简单易行，数据直观明了，但不 能将其作为唯一标准，粒度分布范围较宽的颗粒由于受力不均，导致沉降速度不等，小颗粒 沉降速度慢，呈悬浮状态，大颗粒沉降速度快，迅速分层下沉，分层液面沉降速度没有代表 性，此时的沉降速度只能作为评价分散性的参考数据，而不能作为唯一标准。 3.2 堆积密度 将粉末与液相混合均匀，形成悬浮液，静置于具塞量筒中，经过一定时间后粉末沉积于 底部，与上部液相形成明显的分层，此时沉积层的密度称为堆积密度。其值越大，表明粉体 在液相中分散越均匀，悬浮性越好。 湘潭锰矿中心化验室的翁学华等[6]在研究 α—Al2O3 粉末在有机溶液中的分散性时，采 用了这种方法。该方法操作简单，易于实施。不足之处在于：对于不同的分散体系，其各自 性能不同，残存在粉末堆积层中的质量或多或少，计算堆积密度时必定造成影响。改进办法 为：沉降分层后，将上层溶液吸出，测量沉积层质量，通过计算分散率 SF 来评价分散效果 [7]。 SF 越大分散效果越好，反之，分散效果越差。 %100 0 0 ×−= W WW FS 式中：W0——初始粉末总重量，g； W ——沉积层粉末质量，g。 3.3 浊度计 光浊度法的工作原理：将一束光强为 I0，波长为 λ的平行入射光束，穿过一光程为 L、 含有颗粒直径为 d、单位体积中颗粒数为 n的介质，被衰减后透射光强为 I，则透光率 T可 用下式表示： ) 4 exp( 2 0 LEnd I IT S ⋅⋅⋅== 式中 ES为散射系数。 若光程一定，单位体积中颗粒数一定，散射系数不变，颗粒的直径 d 与透光率 T 有如 下关系： SELn Td ⋅⋅= ln4 测量透光率，透光率越小，分散效果越好，反之，分散效果差。 （1） （2） （3） http://www.paper.edu.cn -4- 华南理工大学的夏启斌等[8]采用这种方法研究了六偏磷酸钠用量对矿物分散稳定性的 影响。光浊度法表征粉末分散性具有很大局限性：浑浊度是一种光学效应，是光线透过水层 时受到阻碍的程度表示水层对于光线散射和吸收的能力。它不仅与悬浮物的含量有关，而且 还与水中杂质的成分、颗粒大小、形状及其表面的反射性能有关。所以，测量得到的浊度值 反映的不只是悬浮颗粒含量的大小。 3.4 Zeta电位 Zeta电位是反映粒子胶态行为的一个重要参数。在零 Zeta电位点（即 IEP）时，粒子 表面不带电荷，颗粒间的吸引力大于双电层之间的排斥力，此时悬浮体的颗粒易发生凝聚或 絮凝；当粒子表面电荷密度较高时，粒子有较高的 Zeta 电位，粒子表面的高电荷密度使粒 子间产生较大的静电排斥力，结果悬浮体保持较高的分散稳定性。Zeta电位可以通过电泳仪 或电位仪测出。 山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室的徐静等[9]，通过添加分散剂MN， 提高 Zeta电位绝对值，使体系总能量增加，产生静电排斥作用，实现了纳米 ZrO2颗粒的稳 定分散。 3.5 粒度分布 用激光粒度仪测量粉末的粒度分布来表征分散性，已为人们所熟知[10]。它主要是应用 光的散射原理和仪器的光学结构，计算机事先计算出了仪器测量范围内各种直径粒子对应的 散射光能分布，通过适当的数值计算，得到与之相应的粒度分布。颗粒的平均粒径越小，表 明颗粒分散性越好，即没有或只有少量软团聚，该方法可以用来检验各种方法的分散效果。 中南大学粉末冶金国家重点实验室的寥寄乔等[11]采用该方法研究了超声方式和时间对 注射成形用铁、镍粉末分散性的影响，效果不错。 3.6 SEM和 TEM SEM和 TEM是近几十年来迅速发展起来的电子光学仪器，并广泛应用于纳米领域，对 于传统化学和物理方法制备的微粒，可以直接地测量其尺寸、形貌和结构。从电镜照片上， 我们可以很容易地看到粉末的存在形态，分散还是团聚[12]。该方法直观明了，不足之处在 于它们都只是对样品局部区域的观测，有可能出现较大的误差，因此需要做到取样均匀，多 幅照片观测，进而得到比较准确的统计结果。 3.7 电子沉降天平 南京大学表面和界面化学工程技术研究中心的任俊等[13]，采用自行设计的电子沉降天 平测定颗粒的分散，通过测定分散率 FS的大小，很好地表征了超细粉体颗粒的分散效果。 4. 结论 由于不同的超细粉体形状复杂，结构各异，不同的测量仪器结构和原理各不相同，各有 侧重，因此研究超细粉体在液相中的分散性时，难以用单一的方法加以表征，所以在实际操 http://www.paper.edu.cn -5- 作中，最好是根据自己不同的需要，采取多种方法来共同评价，从而得到全面、合理的性能 指标，进而指导生产实际。 参考文献 [1] 聂福德，李凤生，宋洪昌，等.超细粉体在液相中的分散性研究进展[J].化工进展，1996（4）：24－28 [2] 彭刚，桂劲宁，彭进强.Si3N4浆料的颗粒分布及分散工艺探讨[J].佛山陶瓷，1996（2）：12－15 [3] 龙石红，邓斌.不同分散剂对二氧化钛颗粒分散稳定性的影响[J].渝西学院学报（自然科学版），2003，2 （4）：12－14 [4] 张娜，任俊，胡柏星，等. 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Journal of the European Ceramic Society,2005（25）:1109-1118 Study on Dispersion of Ultra-fine Powder in Liquids Wang Hongjun，Li Qihou，Liu Zhihong，Ai Kan，Zhang Duomo School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha Hu’nan, China（410083） Abstract Dispersion of ultra-fine powder in liquids in recent years is introduced, especially the dispersion stabilization of different technique is estimated in this paper. The mechanisms of dispersion stabilization and the function of dispersants are put forwarded, and some methods of evaluating dispersion are discussed also. Keywords: Ultra-fine Powder; Liquid;Dispersion