第6 章粉体分散
6.1 ⼯业⽣产中的粉体分散（的重要性）
1、原级颗粒
最先形成粉体物料的颗粒，称为原级颗粒。因为它是第⼀次以固态存在的颗粒，故⼜称⼀次颗粒或基本颗粒。从宏观⾓度看，它是构成粉体的最⼩单元。根据粉体材料种类的不同，这些原级颗粒的形状，有⽴⽅体状的，有针状的，有球状的，还有不规则晶体状的。
粉体物料的许多性能都是与它的分散状态，即与它的单独存在的颗粒⼤⼩和形状有关。真正能反映出粉体物料的固有性能的，就是它的原级颗粒。
2、聚集体颗粒
聚集体颗粒是由许多原级颗粒靠着某种化学⼒与其表⾯相连⽽堆积起来。因为它相对于原级颗粒来说，
是第⼆次形成的颗粒，所以⼜称⼆次颗粒。由于构成聚集体颗粒的各原级颗粒之间，均以表⾯相互重叠，因此，聚集体颗粒的表⾯积⽐构成它的各原级颗粒的总和为⼩。
聚集体颗粒中各原级颗粒之间有很强烈的结合⼒，彼此结合得⼗分牢固，并且聚集体颗粒本⾝就很⼩，很难将它们分散成为原级颗粒，必须再⽤粉碎的⽅法才能使其解体。
3、凝聚体颗粒
凝聚体颗粒是在聚集体颗粒之后形成的，故⼜称三次颗粒。它是由原级颗粒或聚集体颗粒或两者的混合物，通过⽐较弱的附着⼒结合在⼀起的疏松的颗粒，⽽其中各组成颗粒之间是以棱或⾓结合的。
凝聚体颗粒也是在物料的制造与加⼯处理过程中产⽣的。例如，湿法沉淀的粉体，在⼲燥过程中便形成⼤量的凝聚体颗粒。
4、絮凝体颗粒
粉体在许多实际应⽤中，都要与液相介质构成⼀定的分散体系。在这种液固分散体系中，由于颗粒之间的各种物理⼒，迫使颗粒松散地结合在⼀起，所形成的粒⼦，称为絮凝体颗粒。
二氧化碳制冷
6.1.2 颗粒悬浮体分散的重要性
所谓颗粒分散是指粉体颗粒在流体介质中分离散开并在整个流体介质中均匀分布的过程，在粉体⼯业加⼯和测试过程中，保持颗粒悬浮体的分散具有重要意义。许多过程的成败甚⾄完全取决于颗粒悬浮体能否良好分散。
1、固—液⼯业悬浮体
研究纳⽶粉体分散的意义主要体现在以下⼏个⽅⾯。
（1）研究各种纳⽶粉体在液相介质中的相互作⽤⼒及团聚形成的机理，可以为低成本湿法制备分散性良好、团聚少、性能好的纳⽶粉体提供理论上帮助和⼯艺上的指导。
（2）纳⽶粉体稳定分散在各种液相介质形成的分散体本⾝往往就是⼗分重要的产品。
（3）研究纳⽶粉体的分散是制备⾼性能纳⽶复合材料的基础。
2、固—⽓⼯业悬浮体
固体颗粒在空⽓中的分散，对于悬浮态粉体及堆积态粉体都⾮常重要。只有保证分散，才能通畅地输送粉体物料；同样，只有在充分分散状态下，才能实现细粉的⼲法分级。
6.1.3 颗粒悬浮体的极限悬浮速度
在理论上对于任何密度⼤于⽔的密度（33/101m kg ?）的颗粒在⽔中都受重⼒作⽤⽽沉降。设颗粒粒度为d ，密度为ρ，在Stokes 阻⼒范围内，其⾃由沉降末速υ为
µρρυ18)(0dg
p -= （6.1）
式中
p ρ— 固体粒⼦的密度，kg/m 3； 0ρ— 介质的密度，kg/m 3；
µ— 介质粘度，S Pa .；
d — 颗粒粒度；m ；
g — 重⼒加速度，m/s 。
在250C 的⽔中，2
0)(50.54d p ρρυ-=，（m/s ）。
然⽽，对于微⽶级颗粒，介质分⼦热运动对它的作⽤逐渐显著，引起了他们在介质中的⽆序扩散运动，即所谓布朗运动。 6.2固体颗粒在空⽓中的分散
6.2.1 空⽓中颗粒粘结的根本原因
众所周知，分⼦之间总是存在着范德华⼒，此种⼒是吸引⼒，并与分⼦间距的7次⽅成反⽐，故作⽤距离极短（约1nm ），是典型的短程⼒。但是，对于由极⼤量分⼦集合体构成的体系，例如，随着颗粒间距离的增⼤，其分⼦作⽤⼒的衰减程度则明显变缓。这是因为存在着多个分⼦的综合相互作⽤之故。颗粒间的分⼦作⽤⼒的有效距离可达50nm ，因此，是长程⼒。
6.2.2 空⽓中颗粒粘结的其他原因
1、颗粒间的静电作⽤⼒
在⼲空⽓中⼤多数颗粒是⾃然电荷的。
（1）接触电位差引起的静电引⼒
（2）由镜象⼒产⽣的静电引⼒
当空⽓的相对湿度超过65%时，⽔蒸⽓开始在颗粒表⾯积颗粒间凝聚，颗粒间因形成液桥⽽⼤⼤增强了粘结⼒。
6.2.3 颗粒在空⽓中的分散途径
1、机械分散
机械分散是指⽤机械⼒把颗粒聚团打散。这是⼀种常⽤的分散⼿段。机械分散的必要条件是机械⼒（通常是指流体的剪切⼒及压差⼒）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⽽造成的。
2、⼲燥处理
如前所述，潮湿空⽓中颗粒间形成的液桥是颗粒聚团的重要原因。液桥⼒往往是分⼦⼒的⼗倍或者⼏⼗倍，因此，通常采⽤加温法烘⼲颗粒。
3、颗粒表⾯处理
改变颗粒表⾯润湿性可显著地影响颗粒间的粘结⼒。
4、静电分散
通过对颗粒间静电作⽤⼒的分析，便可发现，对于同质颗粒由于表⾯荷电相同，静电⼒反应起排斥作⽤。因此，可以利⽤静电⼒来进⾏颗粒分散。
6.3.1 固体颗粒的浸湿
固体颗粒被浸湿的过程主要基于颗粒表⾯的润湿性（对该液体）。润湿性通常⽤润湿接触⾓θ来衡量。粉体的湿润对粉体在液体中的分散性、混合性以及液体对多孔物质的渗透性等物理化学问题等起着重要的作⽤。 固体颗粒的浸湿规律归纳为下列三点：
（1）具有完全润湿性的颗粒，它们没有接触⾓，它们极易被液体浸湿。
（2）不完全润湿颗粒（0 θ），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，颗粒将被浸湿⽽进⼊液体中。
（3）流体⼒学条件对颗粒的浸湿有重要作⽤，提⾼液体湍流强度可降低颗粒的浸湿粒度。
6.3.2 固体颗粒在液体中的聚集状态
固体颗粒被浸湿（⽆论是⾃发的或是强制的）后，其在液体中的存在状态不外乎两种，形成聚团或者
分散悬浮。分散及聚团两者是排他性的，多数情况下并⾮先后发⽣的⼀个过程的两个阶段。颗粒在流体中的聚集状态取决于：（1）颗粒间的相互作⽤；（2）颗粒所处的流体动⼒学状态及物理场。
1、颗粒间的相互作⽤⼒
糖果模具（1）分⼦间作⽤⼒
①库仑作⽤⼒
②溶剂效应
溶剂效应溶质被附近的溶剂分⼦包围起来的现象称为溶剂化，由于溶剂化⽽给予反应物分⼦性质的异常影响及反应现象的异常变化称为溶剂效应。
③离⼦⼀偶极作⽤
④偶极⼀偶极作⽤
⑤偶极—诱导偶极的相互作⽤
⑥范德华作⽤⼒
2．7宏观物体的相互作⽤能
2．8 Hamaker 常数的计算
2·8·1微观法计算Hamaker 常数
根据微观理论，Hamaker 常数的定义是：
212ρρπC A = （6.63）
不同微粒的London 常数C 的定义式为：
)0()0(23212
12112αανννν+=h C （6.64）式中，ν为谐振⼦的独⽴特征振动频率；1α和2α分别为原⼦1．2在介质中的极化率。2．8．2宏观法计算Hamaker 常数c型卡环
（2）双电层静电作⽤⼒
（3）溶剂化膜作⽤⼒
（4）⾼分⼦聚合物吸附层的空间效应
当颗粒表⾯吸附有机或⽆机聚合物时，聚合物吸附层将在颗粒接近时产⽣⼀种附加的作⽤⼒，称为空间效应（Steric effect ）。
当吸附层牢固⽽且相当致密，有良好的溶剂化性质时，它起对抗颗粒接近及聚团作⽤，此时⾼聚物吸附层表现出很强的排斥⼒，称为空间排斥⼒。
监控2、受粒间作⽤⼒⽀配的颗粒聚集状态
6.3.3 固体颗粒在液体中的分散调控
通过上述分析可见，颗粒在液体中的分散调控⼿段，⼤体上可分为⼆⼤类，化学法和物理法；化学法包括介质调控和药物调控；物理法包括超声波法和机械法。
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：⾮极性颗粒易于在⾮极性液体中分散；极性颗粒易于在极性液体中分散，即所谓相同极性原则。
常⽤分散介质有三类：
第⼀类：⽔；⼤多数⽆机盐、氧化物、硅酸盐等矿物颗粒及⽆机粉体如陶瓷、熟料、⽩垩、玻璃粉、⽴德粉、炉渣倾向于在⽔中分散（常加⼊⼀定量的分散剂）。煤粉、⽊炭、碳⿊、⽯墨等碳质粉末则需添加鞣酸、溶液中分散。亚油酸钠等令其在⽔中分散。
第⼆类：极性有机液体：常⽤的有⼄⼆醇、丁醇、环已醇、⽢油⽔溶液及丙酮等。⼊锰、铜、铅、钴等⾦属粉末及刚⽟粉、糖粉、淀粉及有机粉末在⼄⼆醇、丁醇中分散；锰、镍、钨粉在⽢油溶液中分散。
第三类：⾮极性液体：环已烷、⼆甲苯、苯、煤油及四氯化碳等可作为⼤多数疏⽔颗粒的分散介质。如⽤作⽔泥、⽩垩、碳化钨等的分散介质时，需加亚油酸作分散剂。
2、药物调控
保证极性颗粒在极性介质中的良好分散所需要的物理化学条件，主要是加⼊分散剂，分散剂的添加创造了颗粒间的互相排斥作⽤。
常⽤的分散剂有三种：
第⼀种：⽆机电解质：例如聚磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠及苏打等。
第⼆种：有机⾼聚物：常⽤的⽔溶性⾼聚物有聚丙烯酰胺系列，聚氧化⼄烯系列及单宁、⽊质素等天然⾼分⼦。
油页岩灰渣
第三种：表⾯活性剂：包括底分⼦表⾯活性剂及⾼分⼦表⾯活性剂。
不同要剂的分散机制亦不同。
第⼀种：⽆机电解质：例如聚磷酸盐，⽔玻璃等。前者是偏磷酸的直链聚合物，聚合度在20~100范围内；后者在⽔溶液中也往往⽣成聚合物。为了增强分散作⽤，往往在强碱性介质中使⽤。
第⼆种：表⾯活性剂：阴离⼦型、阳离⼦型及⾮粒⼦性表⾯活性剂均可⽤作分散剂。
表6.7 可⽤作分散的各种表⾯活性剂
第三种：⾼分⼦聚合物⾼分⼦聚合物的吸附膜对颗粒的聚集状态有⾮常明显并且强烈的作⽤。这是因为它的膜厚往往可达数⼗纳⽶，⼏乎与双电层的厚度相当。因此，它的作⽤在颗粒相距较远时便开始显现出来。⾼分⼦聚合物是常⽤的调节颗粒聚团及分散的化学药剂。
聚合物电解质易溶于⽔，常⽤作以⽔为介质的分散剂。
3、物理法
⼯业悬浮液中颗粒往往聚团，在液体介质中聚团的破坏往往靠机械碎解及功率超声碎解。
（1）超声波法
超声波（20kHz～50MHz）具有波长短、近似直线传播、能量容易集中等特点。
超声分散的机理⼤致是:⼀⽅⾯，超声波在颗粒体系中以驻波形式传播，使颗粒受到周期性的拉伸和压缩；通过超声波的吸收，悬浮液中各种组分产⽣共振效应：另外，乳化作⽤、宏观的加热效应等也促进分散进⾏。另⼀⽅⾯，超声波在液体中可能产⽣“空化”作⽤，当液体受到超声作⽤时-液体介质中产⽣⼤量的微⽓泡，在微⽓泡的形成和破裂过程中，伴随能量的释放，空化现象产⽣的瞬间，形成了强烈的振动波，液体中微⽓泡的快速形成和突然崩溃产⽣了短暂的⾼能微环境，使得在普通条件下难以发⽣的变化有
可能实现，使颗粒分散。
（2）机械分散法
机械分散是借助外界剪切⼒或撞击⼒等机械能使纳⽶粒⼦在介质中充分分散的⼀种⽅法。机械分散法有研磨、普通球磨、振动球磨、胶体磨、空⽓磨、机械搅拌等。
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、剪切及拉伸等机械⼒⽽使颗粒团聚碎解悬浮。强烈的机械搅拌是⼀种碎解聚团的有效⼿段，这种⽅法在⼯业⽣产过程中得到⼴泛应⽤。表6.10 机械搅拌分散设备
6.3.4 颗粒的聚集状态与颗粒粒度的关系
普遍的结论。包括重⼒在内的所有质量⼒，如惯性⼒、静电⼒、磁⼒等等，由于都与颗粒的粒径的3次⽅成正⽐，所以随粒度的减⼩，衰减程度极快；反之，分⼦作⽤⼒、双电层静电作⽤⼒等表⾯⼒与颗粒粒度的⼀次⽅成正⽐，随粒度的减⼩，衰减较慢。对于⼏⼗微⽶以下的微细颗粒⽽⾔，质量⼒对于颗粒的⾏为及运动已不再起主导作⽤，取⽽代之的是各种表⾯⼒及与表⾯有关的物理⼒。这就是为什么受表⾯⽀配的细颗粒及超细颗粒的聚集状态变得如此显著的原因。铁氟龙押出机
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