摘 要：与常规材料相比，超细粉末具有一系列优异的物理、化学及表面与界面性质，大大增强了材料的性能。本文归纳了超细颗粒于气/液相中的作用力，并对粉末团聚机理以及分散的研究现状进行了总结分析，另外对今后的发展方向提出了一些建议。 关键词：超细颗粒；团聚；机理；分散
The interaction force and the agglomeration of ultrafine particles
Abstract: Compared with conventional materials, ultrafine particles with a series of excellent physical, chemical and surface and interfacial properties, greatly enhanced the performance of materials. This paper summarizes the interaction force between ultrafine particles in gas or liquid phase, and analyzes the research status of agglomeration mechanism and dispersion of ultrafine powder.
Key words: ultrafine particle, agglomeration, mechanism宗修英, dispersion
超细颗粒通常是指粒径在1～1000nm范围内的固体颗粒[1], 属于微观粒子和宏观物体交界的过渡区域。他们的粒度小、质量均匀、缺陷少，与常规粉体材料相比具有良好的表面效应和体积效应，同时具有一系列优异的电性、磁性、光学性能以及力学和化学等宏观特性。因此，超细粉体技术已成为化工材料、金属和非金属材料、矿物深加工和矿物材料以及电子、医药等现代工业和高技术新材料的重要发展趋向。
1超细颗粒间作用力
1.1 超细颗粒在液相中的作用力
通常，超细颗粒在液相介质中表现为分散和团聚两种基本的行为。而颗粒间的分散与团聚行为的根源是颗粒间的相互作用力，主要有以下几种：
1.1.1 范德华力
颗粒间的范德华力是多个分子之间的集合作用，表现为分子间的引力,对于同质颗粒,它们在液体中的分子作用恒为吸引作用。颗粒间范德华力的计算比较简单，但是，在实际分散体系中，当颗粒表面有吸附层时，除了颗粒本身的作用外，还必须考虑吸附层分子之间的吸
附作用及吸附层对颗粒作用的影响。在大多数情况下，吸附层的存在导致颗粒间范德华力减弱。其原因有二，其一是吸附层增大了颗粒间的间距，其二是吸附物质的Hamaker常数通常比固体颗粒小[2]。
1.1.2双电层静电作用
液体中的颗粒表面因离子的选择性溶解、选择性吸附或同晶置换而带电，反号离子通过静电吸引作用在颗粒周围的液体中扩散分布形成双电层。当颗粒在分散介质中相互接近时，双电层开始重叠，颗粒间便产生静电作用。静电作用存在相互吸引作用和相互排斥作用。对于同质颗粒，这种静电作用总变现为排斥力；对于异质颗粒，静电作用可能是排斥作用也可能表现为吸引作用，由颗粒表面核电状况决定。
1.1.3 溶剂化膜作用
由于颗粒表面极性区域对附近的溶剂分子的极化作用，在颗粒表面会形成溶剂化膜，而当两颗粒相互接近时，除了分子吸附作用和静电排斥作用外，当颗粒间间距减小到溶剂化膜开始接触时，就会产生很强大的排斥力被称为溶剂化作用力[3]。
溶剂化膜的结构、性质及厚度受一系列因素的影响而差别很大。这些因素主要是：颗粒表面状况，溶剂介质的分子极性及固体颗粒结构特点，溶质分子或离子的种类，浓度，温度等物理因素。其中溶剂化膜的厚度在很大程度上由颗粒表面与溶剂介质的极性决定。一般而言，颗粒表面的极性与溶剂介质的极性相同或相近时，其溶剂化膜较厚；当它们之间的极性相差较大或极性相反时，其溶剂化膜一般较薄。
1.1.4 疏液作用
疏液作用是由于颗粒表面与液体介质的极性不相溶而导致的一种粒间相互吸引作用，广泛存在于疏液表面之间以及疏液表面与亲液表面之间。疏液作用的实质是因为颗粒周围的液体分子有排挤“异己”颗粒的倾向，从而迫使这些颗粒相互靠拢，形成团聚，以减小固液界面的方式降低体系的自由能。疏液作用力是疏液颗粒之间在液体介质中的相互作用，实际上可以把其看作为溶剂化作用的一个特例。
农业产业园区规划设计方案1.1.5 空间效应
当颗粒表面吸附有无机或有机聚合物时，聚合物吸附层将在颗粒接近时产生一种附加的作
用，称为空间效应[4]。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的作用，此时高聚物吸附层表现出很强的排斥力，称为空间排斥力。显然，此种力只是当颗粒间距达到双方吸附层接触时才出现。
颗粒在液相中分散时，范德华力、静电作用力和溶剂化作用力是通常存在的。其他的颗粒间作用力则发生于特定的环境和体系下，例如空间位阻作用发生于颗粒表面有无机或有机聚合物吸附层时，疏水作用力发生于疏水颗粒之间。他们作用距离不尽相同，疏水化作用力和溶剂化作用力的作用距离较短，而范德华力、静电作用力和空间位阻作用力的作用距离相对较长。
1.2 超细颗粒在气相中的作用力
摇摇变一般而言，颗粒在气相中具有强烈的团聚倾向，这主要是因为颗粒间存在着表面力，即范德华力、静电力、液桥力和固体架桥力等。
1.2.1 范德华力
范德华力普遍存在于颗粒之间，它起源于原子或分子的电偶极。相似分子间的范德华作用
宿迁学院图书馆力是相互吸引的，并与分子间距的7次方成反比，故作用距离极短(1nm)。但是由极大量分子组成的集合体构成的体系，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，颗粒间的分子作用力的有限间距可达50nm，这是因为存在着多个分子的综合相互作用之故。因此在多个分子综合作用下范德华力又成为长程力[5]。
1.2.2 静电作用
在气相中大多数颗粒是自然带点的。带点的途径有三种：第一，颗粒在其产生过程中带电，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。第二，与电荷表面接触可使颗粒接触带电。第三，气态离子的扩散作用是颗粒带电的主要途径，气态离子由点晕放电、放射性、宇宙线、光电离及火焰的电离作用产生。气相中粒子间静电吸引力主要有以下两种表现形式：(1)接触电位差引起的静电引力；(2)镜像力产生的静电引力。
1.2.3 液桥作用
粉体颗粒相互间的接触部分或间隙部分存在液体时，称为液体桥。由液体桥曲面产生的毛
细压力及表面张力引起的尘粒间附着力称为液桥力。颗粒间的液桥有三种情况：第一种是只有在颗粒接触点形成液桥；第二种是在接触点附近的空隙也有液桥存在；第三种是所有空隙充满了液桥[6]。
由于蒸汽压的不同和颗粒表面不饱和力场的作用，大气中的水会凝结或吸附在粒子表面，形成水化膜，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，则水膜越厚。当表面水多到粒子接触处形成透镜形状或环状的液相时，开始产生液桥力，加速颗粒的聚集。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聚集,颗粒间因形成了液桥而大大增强了粘结力。
超细颗粒间的上述3种力都有促进颗粒相互吸引、吸附并凝聚成大颗粒的作用，且其大小都随颗粒半径的增大呈线性增大关系。在湿度不同的情况下起主导作用的颗粒间作用力是不同的。在干燥情况下，颗粒间不存在液桥力，起主导作用的是范德华力。在湿润情况下，液桥力起主导作用，并且液桥力比静电力和范德华力大得多。
2粉末团聚
超细粉体的团聚是指原生的超细粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成的由多个颗粒形成的较大的颗粒团簇的现象。这主要是因为超细粉末颗粒尺寸小，表面积大，致使颗粒的比表面积和表面能急剧增加,从而使其成为一个不稳定的热力学体系。
2.1 粉末团聚的分类
按照团聚形成的原因，团聚一般分为软团聚和硬团聚[7]，图1为粉末软团聚体和硬团聚体的结构。软团聚一般认为是由于粉体表面的原子、分子之间的静电力和库仑力所致，该种团聚可以通过一些化学的作用或施加机械能的方式来消除；硬团聚除了原子、分子间的静电力和库仑力以外, 还包括液体桥力、固体桥力、化学键作用力以及氢键作用力等，因此硬团聚体在粉末的加工成型过程中其结构不易被破坏，而且将影响粉体的性能。此外，康仕芳[8]等人在不同的反应阶段又将团聚分为核级团聚和粒级团聚。形成的团聚体根据其致密程度，可分为多孔性聚结体和非多孔性聚结体。小的颗粒聚结到大的颗粒上之后，有可能通过表面反应、表面扩散或体积扩散而“溶合”到大颗粒之中，若“溶合”速度很快，即“溶合”反应所需时间小于相邻颗粒第二次的有效碰撞间隔时间，则会形成一个较大的单体颗粒；也可能只是在颗粒之间局部接触“溶合”，形成一个大的多孔的颗粒团聚体。
图1 软团聚体和硬团聚体的结构
2.2 粉末团聚的机理
埃舍尔矛盾空间
2.2.1 软团聚团聚机理
目前，研究者们认为软团聚的形成原因基本一致，即软团聚是由颗粒之间的库仑力和范德华力所造成的。经典的DLVO理论可以解释液相反应阶段产生的软团聚。溶胶在一定条件下能否稳定存在，取决于溶胶中分散相颗粒之间的相互作用。图2为胶体体系中分散相颗粒间相互作用能曲线。当颗粒相互接近时，吸引势能迅速增大，而排斥势能的变化则比较慢一些。一般来说，总势能曲线存在一个最大值，它构成了能量势垒。能量势垒的大小是胶体体系是否稳定存在的关键因素。从液相中生成固相微粒后，由于布朗运动和正动运动的
驱使(在搅拌结晶器中，Melis认为正动运动占主导地位)，固体微粒相互接近。若微粒有足够的动能克服阻止微粒发生碰撞在一起形成团聚体的能量势垒(或者能量势垒很小甚至不存在)，则颗粒运动碰撞可以克服它，形成软团聚。
图2 花园街5号胶体分散相颗粒间的相互作用能量
2.2.1 硬团聚团聚机理
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