超细粉末的团聚及其控制颜恒维·嬗。②秦毅红①赵春芳②刘战伟①((D中南大学冶金科学与工程学院长沙410083)(②中国铝业股份有限公司郑州研究院郑州450041)AggregationandIt’SControlofUltrafinePowderYahHengwei①②QinYihong①SouthZhaoChunfang②LiuZhanwei①((DCentral(@)ZhengzhouUniversity,Changsha,410083)ResearchInstituteAluminumCorporationofChina,Zhengzhou,4500141){I,摘要l团聚现象是超细粉体制备保存过程中的一个难题,超细颗粒很容易团聚,形成二次粒子,失去超细颗粒所具备的特性,给超细粉体的制备带来了很大困难。本文探讨了超细颗粒团聚的种类及影响因素,超细颗粒在溶液中和干燥过程中的形成团聚的机理以及控制团聚方法,并对几种特殊的团聚控制方法进行了重点探讨。),关键词超细颗粒AbstractAggregationis团聚a团聚机理团聚控制troublesomeproblemintheprocessofpreparationandstoringofultrafinepowder,becauseofultrafineultrafinepowdertendstoaggregate,formsecondparticle,andthenlosesthepropertyInthispaper,thekindsandinfluencefactorsofaggregationa8powderaresummarized.theSometheoryofaggregationinsolution,aswellduringdrying,alsoarediscussedinthispaperkindsofmethodforaggregationcontrolKeywordsarediscussedindetailuhrafinepowder,aggregation,thetheoryofaggregation,aggregationcontrol1引言团聚现象是超细粉体制备及收集过程中的一个难题,目前已经得到了越来越多有关人£的重视。超细颗粒由于粒度小,表面原子比例大,比表面积大,表面能大,处于能量不稳定状态…,因而很容易凝并、团聚,形成二次粒子,使粒子粒径变大,失去超细颗粒所具备的特性,给超细粉体的制备和保存带来了很大困难。在当今的超细粉体制备工艺中,防止粒子团聚作为一项重要工作,其目的就是收集粒度分布范围窄、分布均匀且无团聚大颗粒出现的高纯粉体。●颜垣维{男,1977年】月生,礤士;通信地址:郑州市上街区济源路82号;邮编:450041;电子信箱:yah—henbncei@sohuCOltl超细粉末的团聚及其控制4012超细粉末的团聚造成超细颗粒团聚的因素很多,归纳起来主要包括以下几个方面:(1)粒细化到超细量级以后,其表面积累了大量的正电荷或负电荷,颗粒形状极不规则造成表面电荷的聚集,使粒子极不稳定,因而易发生团聚“1;(2)超细颗粒的表面积大,表面能高,处于能量的不稳定状态,很容易发生聚集而达到稳定状态”1;(3)超细颗粒之间的距离极短,相互间的范德华引力远大于自身的重力,因此往往相互吸引而发生团聚”。;(4)细颗粒之间表面的氢键、化学键的作用也易导致粒子之间的互相吸附而发生团聚“一。可见在制备超细粉末时,团聚很容易产生。在粉体形成的团聚中,按团聚的成因,叉分为软团聚与硬团聚,图1为硬团聚和软团聚的结构”J。颈部缝台图1软团聚和硬团聚的结构软团聚主要是由粉末颗粒间的范德华力和库仑力造成的,这种团聚可通过一些化学作用或施加机械能的方法,使其大部分消除。硬团聚是团聚体内的颗粒之间,除范德华力和库仑力之外的化学键以及颗粒之间的液相桥(|iquidbridge)或固相桥的强烈结合而产生的。无论硬团聚或软团聚,都与颗粒表面张力有关。如图2所示,液相中的颗粒之间存在着范德华引力、双电层固相排斥力、液相桥和溶剂化层交叠,固相中存在着固相桥和烧结颈。颗粒在液体介质中的相互作用是非常复杂的,除了范德华力和库仑力外,还有溶剂化力、毛细管力、憎水力、水动力等,它们与液体介质有关,又直接影响着团聚的程度。颗粒在液体介质中,由于吸引了一层极性物质,会形成溶剂化层。在颗粒互相接近时,溶剂化层重叠,便产生排斥力,即溶剂化层力。如果颗粒表面被介质良好润湿,两个颗粒接近到一定的距离,在其颈部会形成液相桥。液相桥存在着一定的压力差,使颗粒相互吸引,进而成为存在于颗粒间的毛细管力。憎水力是一种长程作用力,其强度高于范德华力。它与憎水颗粒在水中趋向于团聚的现象有关。水动力普遍存在于固相高的悬浮液中,当两个颗粒接近时,产生液液间的剪切应力并阻止颗粒接近,当两颗粒分开时,它又表现为吸引力,其作用相当复杂。在固相中,团聚的生成主要是由固相桥与烧结颈造成的,如图2e及图Z厂。如果凝胶颗粒表面紧密接触,更容易形成硬团聚。液相中固相中oo需。∞酝OO口eE纳米材料f图2各种物相状态下颗粒间的相互作用力口一范德华引力;6一双电层的交叠;B一液相桥;d一溶剂化层的交叠(或高分子链的交叠)e一固相桥f—烧结颈3超细颗粒团聚的形成机理3.1超细颗粒在液体介质中的团聚机理超细颗粒在液体介质中的团聚是吸附和排斥共同作用的结果。液体介质中的超细颗粒的吸附作用有以下几个方面o“:量子隧道效应、电荷转移和界面原子的相互耦合产生的吸附;超细颗粒分子间力、氢键、静电作用产生的吸附;超细颗粒间的比表面积大,极易吸附气体介质或与其作用产生吸附;超细粒子具有极高的表面能和较大的接触面,使晶粒生长的速度加快,从而粒子问易发生吸附。在存在吸附作用的同时,液体介质中超细颗粒间同样有排斥作用,主要有粒子表面产生溶剂化膜作用、双电层静电作用、聚合物吸附层的空间保护作用。这几种作用的总和使超细颗粒趋向于分散。如果吸附作用大于排斥作用,超细颗粒团聚;如果吸附作用小于排斥作用,超细颗粒分散。关于液体介质中超细颗粒的团聚机理目前还没有一个统一的说法。前苏联学者Deryagin和Landau与荷兰学者Verwey和Overbeek分别提出了关于形态微粒之间的相互作用能与双电层排斥能的计算方法,称为DLVO理论”1¨=K+K式中(1)¨——总作用能;n——范德华作用能;K——双电层作用能。该理论认为颗粒的团聚与分散取决于颗粒间的范德华作用能与双电层作用能的相对关系。当n>‰时,颗粒自发地相互接近最终形成团聚;当K<%时,颗粒互相排斥形成分散状态。图3表示颗粒的存在状态与斥力位能和引力位能之间的关系。由于颗粒间除存在上述两种作用力外还存在其他作用,DLVO理论并不能完整地鳃释颗粒间的团聚作用。考虑到颗粒间作用与环境介质性质、颗粒表面性质以及颗粒表面吸附层的成分、覆盖率、吸附强度等因素的影响,颗粒间的总势能可以用下式表示超细粉末的团聚及其控制式中蚝——溶剂化膜作用能;P。——空间排斥作用能。5040302010VsV/MAX/VT=K+喙篓硇。一】0—20—30一40500厂≮.j≥(/,7+?KJ-/?/、\第二剧值I;一第一最小值02040608l0l;颗粒间距图3斥力位能引力位能及总位能曲线图3.2干燥阶段的团聚机理干燥可视为固液分离过程。这个阶段是排除颗粒之间的液体,此过程中颗粒会形成硬团聚。目前解释硬团聚形成的原因有“晶桥”理论、氢键或化学键作用理论和毛细管吸附理论。(1)“晶桥”理论”1。该理论认为,在颗粒粉体的毛细管中存在着气液界面,随着最后一部分液体的排除,在界面张力的作用下,颗粒与颗粒之间互相接近。由于存在表面羟基和因溶解沉淀所形成的“晶桥”而变得紧密。随着时间的延长,这些“晶桥”互相结合,变成大的团聚体。如果液相中含有其他金属的盐类物质(如氢氧化物),还会在颗粒间形成结晶盐的固相桥(见图2e),从而形成团聚体。(2)氢键或化学键作用理论”…。氢键作用理论认为,如果液相为水,最终残留在颗粒间的微量水会通过氢键的作用,由液相桥将颗粒紧密地黏在一起(见图2c)。化学键理论认为,存在于凝胶表面的非架桥羟基是产生硬团聚的根源。相邻胶粒表面的非架桥羟基发生的反应可表示为:Me—OH+H0一Me'+Me一0一Me+H20可用此式来解释产生团聚的原因。‘(3)毛细管吸附理论”“。这种理论认为,凝胶中的吸附水受热蒸发时,颗粒的表面部分裸露出来,水蒸气则从孔隙的两端逸出,由于有毛细管力的存在,在水中形成静拉伸压力P,进而会导致毛细管iL隙壁收缩。因此,可认为P是造成硬团聚的原因。404E纳米材料4解决超细粉体团聚的方法4.1溶液反应中超细颗粒团聚的解决方法4.1.1加入分散剂为了保证超细颗粒在液体介质中的良好分散,可以加入适当的分散剂。常用的分散剂有:(1)无机电解质。例如聚磷酸钠、硅酸钠、氢氧化钠及苏打等。此类分散剂的作用是提高粒子表面电位的绝对值,从而产生强的双电层静电斥力作用,同时吸附层还可以产生很强的空间排斥作用,有效地防止粒子的团聚。(2)有机高聚物”“。常用的有聚丙烯酰胺系列、聚氧化乙烯系列及单宁、木质素等天然高分子。此类分散剂主要是在颗粒表面形成吸附膜而产生强大的空间排斥效应,因此得到致密的有一定强度和厚度的吸附膜是实现良好分散的前提。有机高聚物类分散剂随其特性的不同在水中或在有机介质中均可使用。(3)表面活性剂””。包括阴离子型、阳离子型和非离子型表面活性剂。此类分散剂可以在粒子表面形成一层分子膜阻碍颗粒之间相互接触,并且能降低表面张力,减少毛细管吸附力以及产生空间位阻效应。表面活性剂的分散作用主要表现为它对颗粒表面润湿性的调整』.”“。在颗粒表面润湿性的调整中,表面活性剂的浓度至关重要。适当浓度的表面活性剂在极性表面的吸附可以导致表面的疏水化,引起颗粒在水中桥联团聚,但是浓度过大,表面活性剂在颗粒表面形成表面胶束吸附,反而引起颗粒表面由疏水向亲水转化,此时团聚又转化为分散。关于分散剂与超细粉体粒度的关系,已经有大量的著作做了论证”“。中国科学院上海硅酸盐研究所孙静等人””通过实验分析了分散剂用量对超细氧化锆粉体颗粒分布尺寸的影响,并得出这种影响是由改变粉体表面的电荷分布来实现的结论。分散剂使超细粒子表面吸引异电离子形成双电层。通过双电层之间库仑排斥作用使超细粒子之间发生团聚的引力大大降低,从而有效地防止超细颗粒的团聚,达到超细颗粒分散的目的。而排斥力的大小取决于颗粒的表面电位,作用范围取决于双电层厚度。例如,用湿化学法制备SiO:、A1:O"TiO:、ZnO等超细氧化物时,根据反应体系的pH值不同(带正电或负电),选用Na+、NH?、C1一、NO;等异电离子作为分散剂,使颗粒表面形成双电层,从而达到解决超细颗粒团聚的目的。4.1.2有机物洗涤用表面张力小的有机溶剂充分洗涤超细颗粒,可以置换颗粒表面吸附的水分,减小氢键的作用,减少颗粒聚结的毛细管力,使颗粒不再团聚。目前此方法采用的洗涤溶剂为醇类,饲如无水乙醇、乙二醇等。用醇类可以洗去粒子表面的配位水分子,并以烷氧基取代颗粒表面的羟基团。目前采用此方法已经制备出了具有良好分散性的A1:0,、ZrO:等”“粉末。但是它仍然存在一定的缺点,如有机物耗量大,成本高,并且会改变超细粒子的表面特性等。41.3共沸蒸馏在超细颗粒形成的湿凝胶中加入沸点高于水的醇类有机物,混合后进行共沸蒸馏,可以有效地除去多余的水分子,消除氢键作用的可能,并且取代羟基的有机长链分子能产生很强超细粉末的团聚及其控制的空间位阻效应,使化学键合的可能性降低,因而可以防止团聚体的形成。采用此方法已经成功地制备了AI:0,、ZrO:等“”超细粉末。41.4超声技术运用超声技术分散超细颗粒,近年来,声化学领域的研究非常活跃。声化学在超细材料制备中的应用主要是基于超声波的特殊分散性能,即利用超声空化作用所产生的冲击波和微射流所具有的粉碎作用,达到分散颗粒的目的,进而解决超细颗粒间的团聚问题。4.2干燥阶段超细颗粒团聚的抑制在于燥阶段抑制团聚可从两个方面进行:一是在干燥前加入分散剂,使颗粒分离,例如,在实践中用乙二醇作分散剂,对用乙二醇多次洗涤湿法得到的湿凝胶进行烘干,可得到分散的_F凝胶。其道理是乙二醇的官能团取代了颗粒表面的羟基,还有一定的空间位阻效应,使硬团聚减少。二是要用适当方法将水脱除,避免颗粒问因水的存在生成氢键。抑制超细粉体团聚的脱水干燥方法主要有冷冻干燥和喷射干燥。4.2.1冷冻干燥㈣在低温下凝胶中的水冻结成冰,然后迅速抽真空降低压力,在低温低压下使冰直接升华成蒸汽,实现液固分离。冷冻干燥充分利用了水的特性以及表面能与温度的关系,当一定量的水冷冻成冰时,其体积膨胀变大,水在相变过程中的膨胀力使得原先相互靠近的凝胶粒子适当地分开,同时由于固态的形成阻止了凝胶的重新聚集,从而防止了粉末的硬团聚。采用该法制备出了A1:O,等粉末。但是由于冷冻温度低,设备昂贵不宜实现工业化。4.2.2喷射干燥‘”1目前该方法在国外已实现了工业化生产,喷射干燥就是使陶瓷料液雾化成细小颗粒,然后与热空气接触,迅速干燥。主要有两种方式:一种采用喷管式雾化;另一种为转轮雾化。喷射干燥一般分为四个步骤:(1)用唼管或转轮雾化;(2)喷射流和热空气接触;(3)蒸发,颗粒形成;(4)粉末与热空气的分离。但是由于设备复杂,投资大,该技术在国内尚未用于生产。4.2.3超临界流体干燥法【213超临界流体干燥法是利用超临界流体对有机溶剂的很强的溶解能力,把超细颗粒形成的胶体中的有机物除去。本工艺的原理是由于超临界流体在临界点以上气液相没有截面存在,因而可以避免表面张力的作用,防止粒子团聚。中国科学院山西煤炭化学研究所马池明等人”“研究了超临界流体干燥法在制备超细A1:0,粒子中的应用,分析了干燥操作参数对超细颗粒分散性能的影响。4.2.4微波干燥微波技术具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点,近年来广泛应用于化学各分支领域。微波干燥的方法具有反应时间短、耗能低、环境友好的特点,具有传统加热和干燥方法不可比拟的优越性。欧阳志强和刘桂华””利用微波加热和干燥TiCl,水解法制备出平均粒径40nm,粒度分布窄,球形且形态均一,团聚较少,金红石型的TiO:纳米粉末。4.3煅烧阶段超细粉体具有很大的比表面积和很高的活性。在一定温度下,颗粒之间会紧密接触而E纳米材料发生烧结,形成烧结颈(见图2f)而产生硬团聚。温度过高是造成煅烧阶段产生硬团聚的主要原因。因此煅烧阶段防止团聚最重要的是选择合适的煅烧温度。煅烧温度过高易产生硬团聚,使细颗粒变大,而温度过低会有残留的未分解的氢氧根存在。参考文献l李风生等.超细粉体技术.北京:国防工业出版社,2000.277~2882杨金龙,吴建光陶瓷粉末颗粒测试,表征及分散硅酸盐通报,1995(5):67~773I)AMPACHR,HABERKCY623~6504CeramicPowders[Y/]Amsterdam:ElsevierScientificPubCompany。1983SUBEROJ,NINGZ,GHADIRIM,etalPowderEffectofinterfaceenergyontheimpactstrengthofa甜omerates【J]Technology,1999(105):665SINGHALA,SKANDANG,eta1.OnnanoparticleaggregationduringvaporphaseluredMeterials,1999。1synthesis[J]Nanostrue—1(4):545stress6CAMMARATARCalsScienceandSurfaceandinterfaceeffectsoninterracialandNanostmeturedMeterials[J],Materi—powdersynthesis[J],En百neefing,1997(A237):180,ROOSENA,HAUSNERH.TechniquesforagglomerationcontrolduringwelchemicalAndancedCeramicMaterials,1988,3(2):13189李葵英界面与胶体的物理化学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998,183—197MaskCeramA.AggIomerationduringtheDryingofSilicaPowdersPart2.TheRoleParticleSolubility[J].JAmSoc,1997,80(7):1715—1722JonesSL.DehydrationofHydrousSeheretZirconia[J].JAmCeramSoc,1988,71(4):190~191GW.Dryinggels(I).GeneralTheory[J]JNon—CrystSolids,1986,87(1~2):199—225许珂敬,杨新春等.高分子表面活性剂对氧化物陶瓷超微颗粒的分散作用.中国陶瓷,1999,5:15梁治齐.宗意娟,李金华功能性表面活性剂北京:中国轻工业出版社,2002:2~12刘志强,李小斌,等湿化学法制备超细粉末过程中的团聚机理及消除方法,化学通报,1999,7:54谭立新,蔡一湘超细粉体粒度分析的分散条件比较[J].中国粉体技术,2000,6(1):23m¨他b¨博Ⅲ孙静,高濂,郭景坤分散剂用量对几种纳米氧化锆粉体尺寸表征的影响无机材料学报,1999,14(3):465汀徐明霞,方洞浦,杨正方.高分子型表面活性剂在氧化锆粉末制备过程中的作用(二).无机材料学报,1991,6(1):39仇海渡,高濂,冯德楚等.纳米氧化锆粉体的共沸蒸馏法制备及研究.无机材料学报,1994,9(3):365JohnsonDW.AmCeram.SOc.Bull,1976,55:520—523倦旧mKenhMastersibid.1994.73:63~72杨基础,沈忠耀.超临界流体技术与超细颗粒的制备.化工进展,1995,3:28马池明.陈诵英.超细粒子氧化铝的制备[J]粉体技术,1995,1(4):21H弛∞欧阳志强,刘桂华利用微波介电加热和微波干燥水解法制备Ti02微粒[J].江西化工,2003,4:132