納米材料的團(tuán)聚問題是限制納米材料發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。但是當(dāng)前對超細(xì)粉體的防止團(tuán)聚的分散技術(shù)已有大量研究。
超細(xì)粉體，是指粒徑在微米級到納米級的一系列超細(xì)材料。按照我國礦物加工行業(yè)的共識，將超細(xì)粉體定義為粒徑100%小于30μm的粉體。由于納米材料具有許多傳統(tǒng)材料不具備的小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)等特殊性能而被廣泛應(yīng)用。
但納米材料具有較大的比表面積，活性很高，極不穩(wěn)定，極其容易發(fā)生團(tuán)聚而失去原有的性質(zhì)，降低了材料的價(jià)值，對納米材料的制備、儲存造成了一定的難度，因此，納米材料的團(tuán)聚問題是限制納米材料發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。
超細(xì)粉體的團(tuán)聚
超細(xì)粉體的團(tuán)聚是指原生的粉體顆粒在制備、分離、處理及存放過程中相互連接形成的由多個(gè)顆粒形成較大的顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。目前認(rèn)為超細(xì)粉體產(chǎn)生團(tuán)聚的原因主要有三點(diǎn)：分子間作用力引起超細(xì)粉體團(tuán)聚；顆粒間靜電作用力引起團(tuán)聚；顆粒在空氣中的粘結(jié)。
1.分子間作用力引起超細(xì)粉體團(tuán)聚
當(dāng)?shù)V物材料超細(xì)化到一定程度以下時(shí)，顆粒之間的距離極短，顆粒之間的范德華力遠(yuǎn)大于顆粒自身的重力。因此，這種超細(xì)顆粒往往互相吸引團(tuán)聚。超細(xì)粒子表面的氫鍵、吸附濕橋及其他化學(xué)鍵作用，也易導(dǎo)致粒子之間互相黏附聚集。
2.顆粒間靜電作用力引起團(tuán)聚
礦物材料在超細(xì)過程中，由于沖擊、摩擦及粒徑的減小，在新生超細(xì)粒子的表面積累了大量的正電荷或負(fù)電荷。這些顆粒的表面凸起處有的帶正電荷，有的帶負(fù)電荷，這些帶電粒子極不穩(wěn)定，為了趨于穩(wěn)定，它們互相吸引，尖角處互相接觸連接，使顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚，此過程的主要作用力是靜電力。
3.顆粒在空氣中的粘結(jié)
當(dāng)空氣的相對濕度超過65%時(shí),水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集,顆粒間因形成液橋而大大增強(qiáng)了團(tuán)聚作用。
另外，礦物材料在粉碎過程中，吸收了大量的機(jī)械能或熱能，因而使新生的超細(xì)顆粒表面具有相當(dāng)高的表面能，粒子處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。粒子為了降低表面能，往往通過相互聚集靠攏而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，也容易引起粒子團(tuán)聚。
納米材料的團(tuán)聚分為軟團(tuán)聚、硬團(tuán)聚兩種。軟團(tuán)聚是由分子間作用、范德華力引起的，比較容易去除，而關(guān)于硬團(tuán)聚的形成原因目前有毛細(xì)管吸附理論、氫鍵理論、晶橋理論、化學(xué)鍵作用理論、表面原子擴(kuò)散鍵合機(jī)理五種觀點(diǎn)，但是到目前為止，還沒有統(tǒng)一的解釋。
但是當(dāng)前對超細(xì)粉體的防止團(tuán)聚的分散技術(shù)已有大量研究。
在液相的分散方法
1.機(jī)械分散法
機(jī)械分散法是借助外界剪切力或撞擊力等機(jī)械能，使納米粒子在介質(zhì)中充分分散的一種方法。機(jī)械分散法有研磨、普通球磨、振動球磨、膠體磨、空氣磨、機(jī)械攪拌等。
機(jī)械攪拌的主要問題是:一旦顆粒離開機(jī)械攪拌產(chǎn)生的湍流場,外部環(huán)境復(fù)原,它們又有可能重新形成聚團(tuán)。因此,用機(jī)械攪拌加化學(xué)分散劑的雙重作用往往可獲得更好的分散效果。
2.化學(xué)分散法
化學(xué)分散是工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的一種超細(xì)粉體懸浮液體的分散方法。通過在超細(xì)粉體懸浮液中添加無機(jī)電解質(zhì)、表面活性劑及高分子分散劑使其在粉體表面吸附，改變粉體表面的性質(zhì)，從而改變粉體與液相介質(zhì)以及粒間的相互作用，實(shí)現(xiàn)體系的分散。
分散劑包括表面活性劑、小分子無機(jī)電解質(zhì)、聚合物分散劑與偶聯(lián)劑。其中聚合物分散劑應(yīng)用最為廣泛，聚電解質(zhì)又最為重要。
3.超聲波法
超聲調(diào)控是把需要處理的工業(yè)懸浮液直接置于超聲場中,控制恰當(dāng)?shù)某曨l率及作用時(shí)間，以使顆粒充分分散。
超聲波對納米顆粒的分散更為有效,超聲波分散就是利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓、強(qiáng)沖擊波和微射流等,較大幅度地弱化納米微粒間的納米作用能,有效防止納米微粒團(tuán)聚而使之充分分散。但應(yīng)當(dāng)避免使用過熱超聲攪拌,因?yàn)殡S著熱能和機(jī)械能的增加,顆粒碰撞的幾率也增加,反而導(dǎo)致進(jìn)一步的團(tuán)聚。
在氣相的分散方法
1.干燥分散
在潮濕的空氣中，粉體顆粒間形成的液橋是粉體團(tuán)聚的主要原因，固體物料的干燥包括兩個(gè)基本過程，首先是對物料加熱并使水分汽化的傳熱過程，其次是氣化的水?dāng)U散到氣相中傳質(zhì)過程。
因此，杜絕液橋的產(chǎn)生或破壞已形成的液橋是保證顆粒分散的主要手段之一。
絕大多數(shù)粉體生產(chǎn)過程中都采用加溫干燥預(yù)處理。
2.機(jī)械分散
機(jī)械分散是指用機(jī)械力把顆粒團(tuán)聚打散,它的必要條件是機(jī)械力(指流體的剪切力及壓應(yīng)力)應(yīng)大于顆粒間的粘著力。通常機(jī)械力是由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪圓盤或高速氣流的噴射及沖擊作用所引起的氣流強(qiáng)湍流運(yùn)動造成的。
機(jī)械分散較易實(shí)現(xiàn),但由于這是一種強(qiáng)制性分散方法,盡管互相粘結(jié)的顆?？梢栽诜稚⑵髦斜淮蛏?但它們之間的作用力沒有改變,當(dāng)顆粒排出分散器后又有可能重新黏結(jié)聚團(tuán)。另外,機(jī)械分散可能導(dǎo)致脆性顆粒被粉碎，且當(dāng)機(jī)械設(shè)備磨損后其分散效果下降。
3.靜電分散
對于同質(zhì)顆粒,由于表面帶電形同,靜電力反而起排斥作用。因此,可以利用靜電力來進(jìn)行顆粒分散,問題的關(guān)鍵是如何使顆粒群充分帶電。
采用接觸帶電、感應(yīng)帶電等方式可以使顆粒帶電,但最有效的方法是電暈帶電,使連續(xù)供給的顆粒群通過電暈放電形成離子電簾,使顆粒帶電。給顆粒帶上相同極性的電荷。利用荷電粒子間的靜電斥力使顆粒分散。
結(jié)語
超細(xì)粉體的改性方法還有很多，與前面的主流方法也有很大的不同。但不論是那種方法，都需要進(jìn)一步研究超細(xì)粉體的改性原理，找到適用于各種改性要求并能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的新型改性方法。
既需要在深入研究改性機(jī)理的基礎(chǔ)上優(yōu)化改性工藝流程，發(fā)展能夠達(dá)到多種改性目的的“復(fù)合”處理工藝，也需要在改進(jìn)原有一些的通用化工設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展適應(yīng)表面改性的設(shè)備，總而言之，這需要的是整個(gè)粉體行業(yè)產(chǎn)學(xué)研眾人的通力合作與不斷進(jìn)步。
參考來源
李松.高分散納米氧化鎂粒子的制備及其性能研究
王輝.球形納米氧化鎂團(tuán)聚粉末的制備研究
楊曉林.高嶺土表面改性的技術(shù)和方法
楊華明.超細(xì)粉碎機(jī)械化學(xué)的研究進(jìn)展