1、8/9/2018,ATL Confidential information,颗粒在液相介质中的分散,准备：Jiang DS 日期：2007/11/22,8/9/2018,ATL Confidential information,内容,1. 分散体系 2. 分散稳定性 3. 颗粒的分散 4. 颗粒在液相中的相互作用 5. 颗粒在液相中分散的主要影响因素 6. 颗粒在液相中的分散与调控,8/9/2018,ATL Confidential information,1. 分散体系,定义： 一种或一种以上物相以颗粒形式离散分布在某种连续相中所构成的多相体系。 （例：阴极浆料是炭粉和活性物质颗粒分散在PV
2、DF溶液中） 分散体系的组成： 1.连续相/分散介质；2.分散相/分散体 （例：阴极浆料中PVDF溶液是连续相，炭粉和活性物质颗粒是分散相）分散体系的形式： 气气、气液、气固、液气、液液、液固、固气、固液、固固。（例：阴极浆料是一个固液分散体系）,8/9/2018,ATL Confidential information,1. 分散体系,分散体系的分类： 连续型分散体系，离散型分散体系连续型分散体系：两种连续相互相穿透而形成的混合物离散型分散体系：连续相中颗粒彼此互不接触而呈离散分布，或者颗粒与颗粒之间可能接触但不形成液桥而连通，有明显的边界。 （例：阴极浆料是离散型分散体系） 按照分散相颗粒
3、大小分： 胶态分散体系（分散相粒度在10-910-7m）和粗分散体系,8/9/2018,ATL Confidential information,2. 分散稳定性,分散体系中的颗粒都受到两种力的作用：重力和扩散力 1）. 颗粒受重力作用会沉降，其沉降遵循Stokes定律：式中： 0颗粒沉降速度；球形颗粒的密度，g/cm2；d 球形颗粒的直径，cm；分散介质密度，g/cm2；介质粘度，Pa s 颗粒的沉降是破坏分散体系稳定性的主要物理因素。,8/9/2018,ATL Confidential information,2. 分散稳定性,2）. 分散体系中所有的颗粒，无论其粒度大小，都受到介质分子热
4、运动的无序碰撞，此无序碰撞引起颗粒的扩散位移，又称布朗运动。 经过时间t，沿某一方向，颗粒从原始位置发生的均方扩散位移 可由爱因斯坦方程得出：式中：D扩散系数，cm-2s-1；介质粘度，Pa s；d颗粒直径，cm；NAAvogadro常数，6.0221023mol-1。由此可见，颗粒的粒度对分散体系的稳定性影响很大，而且是有着绝对相反的影响。颗粒粒度越小，沉降速度越慢，扩散越快。分散体系要达到稳定状态，颗粒粒度必须小于沉降位移与均方扩散位移相等的极限粒度。 对于颗粒粒度为微米级或更大的粗分散体系，沉降是颗粒的主要运动方式，因此必须依靠一定强度的物理作用（机械搅拌、震动、超声等）使其在分散介质中
5、悬浮。,8/9/2018,ATL Confidential information,2. 分散稳定性,在分散过程中由不稳定因素可能引起的变化,Sedimentation：沉积，沉降； Creaming：乳状液分层； Flocculation：絮凝； Agglomeration：团聚； Heterocoagulation：杂凝聚； Gelation：凝胶； Syneresis：脱水收缩(作用)； aggregation：集合, 聚合； Adagulation：粒子覆盖吸附； Peptization：胶溶作用。,8/9/2018,ATL Confidential information,3. 颗粒
6、的分散,颗粒分散过程受三种基本作用支配： 1. 颗粒与分散介质的作用 2. 介质中颗粒间的相互作用 3. 介质分子之间的相互作用颗粒分散科学技术研究的内容： 1. 研究支配颗粒团聚的物理的及化学的机制 2. 研究防止颗粒团聚的各种有效途径及方法 3. 研究超细颗粒的分散技术 4. 开发有针对性的各种分散工艺、设备及配方,8/9/2018,ATL Confidential information,4. 颗粒在液相中的相互作用,固体在溶液中的双电层理论 在溶液中，通常固体颗粒表面总会带有电荷，有的带正电，有的带负电。颗粒表面带电的主要原因有两个： 1.对带电离子的选择性吸附； 2. 固体表面的离子
7、电离或优先溶解 Stern双电层模型：固液界面溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散层。 （Zeta）电位：固液两相发生相对移动时，移动界面（滑动面)至溶液本体间的电势差。,8/9/2018,ATL Confidential information,4. 颗粒在液相中的相互作用,颗粒在液相介质中表现为分散和团聚两种基本行为，而分散和团聚的根源是颗粒间的相互作用力。,颗粒间的作用力,范德华作用,静电作用,空间位阻作用,疏液作用,溶剂化作用,磁吸引作用,存在于分子之间的相互吸引力。,颗粒在分散介质中相互接近时，双电层开始重叠，颗粒间便会产生静电作用。,颗粒表面吸附有高分子表面活性剂时，颗粒与颗粒在接近
8、时将产生排斥作用。,颗粒表面吸附阳离子或含亲水有机物，或者对附近溶剂分子的极化作用，使溶剂分子包覆在颗粒周围形成溶剂化作用。,颗粒表面与液体介质的极性不同而不相溶，导致颗粒间相互吸引的作用。,颗粒在外磁场作用下发生相互吸引而形成团聚。只对本身有磁性或可以磁化的颗粒起作用。,8/9/2018,ATL Confidential information,5. 颗粒在液相中分散的主要影响因素,1）.在水中分散的主要影响因素 a. pH值及电位的影响一般来说，亲水的颗粒在水中的分散行为受体系pH值的支配和控制。颗粒表面电位绝对值越大，分散越好，且团聚pH值与它们的零电点相吻合。疏水的石墨在水中的分散行为
9、几乎不受介质pH值的影响，有显著的团聚现象。石墨颗粒的分散行为与电位之间不存在对应关系。 b. 电解质的影响在水中添加电解质会引起颗粒的聚沉，加剧悬浮体中颗粒的团聚行为。因此，消除水中难免离子是非常必要的。 c. 分散剂浓度的影响对于不同的分散剂，均存在一个最佳的分散剂浓度。在分散剂浓度较低时，分散的稳定性随分散剂浓度增加而变好，当浓度达到一定值后，分散稳定性趋于一定而体系稳定，当浓度进一步增大时，分散稳定性急剧降低，悬浮液的稳定性变差。,8/9/2018,ATL Confidential information,5. 颗粒在液相中分散的主要影响因素,2）.在非水介质中分散的主要影响因素 a.
10、 颗粒粒径与稳定性的关系 颗粒粒径较大时，通过静电排斥力实现分散的稳定性是适当的，对于粒径较小的情况只靠静电排斥力难以实现分散，需要借助表面活性剂的空间位阻作用实现分散体系的稳定性。 b. 水份对颗粒表面电位的影响 非水体系中的微量水会影响颗粒表面电位，从而影响分散体系的稳定性。因为水可离解为质子和氢氧根离子被选择性吸附，使颗粒表面显碱性。随着体系中水份的增加， 电位有一个上升至极大值然后下降的过程。 c. 电位对分散稳定性的影响 一般情况下， 电位越大，分散稳定性越好。,8/9/2018,ATL Confidential information,5. 颗粒在液相中分散的主要影响因素,体系温度
11、的影响研究证实，温度对悬浮体系的稳定性有显著的影响。一般情况下，无论是亲水性颗粒还是疏水性颗粒，也不论是在极性溶剂还是在非极性介质中，随着体系温度的升高，悬浮体的分散稳定性迅速变差，颗粒间的相互团聚速度加快。因此在悬浮体的分散时应充分考虑温度的影响，并尽可能使体系处于较低的温度状态。,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,颗粒在液相中的分散原理 a. 润湿原则（极性相似原则）颗粒必须被液体介质润湿，从而很好的浸没在液体介质中。 b. 表面力原则颗粒间的总表面力必须是一个较大的正值，使颗粒间有足够的相互排斥作用以防止其相互直接
12、接触并粘着。 颗粒在液相中分散的基本过程,颗粒分散的三个基本过程,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,颗粒的润湿颗粒的润湿过程实际上使液相与气相争夺颗粒表面的过程，即可以看作固-气界面的消失和固液界面的形成过程。这主要取决于颗粒表面与液体的极性差异。基本原则是极性相同，则固液界面容易取代固-气界面而液体润湿固体表面。反之，颗粒的润湿过程就不能自发进行。此时可以添加润湿剂促使颗粒表面润湿。,有无润湿剂颗粒表面吸附情况,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,
13、颗粒悬浮液分撒与调控的途径大致有介质调控、分散剂调控、机械搅拌和超声调控四种。1）介质调控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。,颗粒悬浮液的分散与调控,超声波调控,机械搅拌,分散剂调控,介质调控,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,2）分散剂调控分散剂的添加显著增强了颗粒间的相互排斥作用，主要通过以下三种方式来实现：1. 增大颗粒表面电位的绝对值，以提高颗粒间的静电排斥作用,静电稳定作用,8/9/2018,ATL Confidential information,6.
14、颗粒在液相中的分散与调控,2. 通过吸附在颗粒表面的分散剂的位阻效应，使颗粒间产生很强的位阻排斥力。3.调控颗粒表面极性，增强分散介质对它的润湿性，同时增强表面溶剂化膜，提高它的表面结构化程度，使结构化排斥力大为增强。,位阻稳定作用,分散剂位阻效应对颗粒电位能量的影响,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,3）机械搅拌分散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而使颗粒团聚碎解悬浮。机械分散的必要条件是机械力（指流体的剪切力及压应力）应大于颗粒间的粘着力。机械分散离开搅拌作用，外部环境复原，它们又可以重新团聚
15、。因此采用机械搅拌与化学分散方法结合的复合分散手段可获得更好的分散效果。,8/9/2018,ATL Confidential information,6. 颗粒在液相中的分散与调控,4）超声分散超声波分散是分散方法中较为有效的方法之一，对于悬浮体的分散存在着最适宜的超声频率，超声频率取决于被悬浮颗粒的粒度。超声波在颗粒分散中的两个主要作用：1. 在介质中产生空化作用2. 在超声波作用下引起体系中各种组分的共振效应。超声波可以使已形成的絮团碎解，对降低纳米颗粒团聚更为有效。利用超声空化作用产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，可有效防止颗粒团聚而使之充分分散。但应避免使用过热超声搅拌，因为随着如能和机械能的增加，颗粒碰撞的概率液增加，反而导致进一步的团聚。因此要选择最低限度的超声分散方式来分散纳米颗粒。,8/9/2018,ATL Confidential information,Thanks !,
