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如何消除粉體的團聚? |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-05-16 09:16:45 瀏覽次數: |
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液相反應階段
液相反應階段,產生團聚的主要原因來自于顆粒間的范德華力。要減輕團聚,就要降低顆粒之間的范德華力,增加顆粒之間的排斥力。由膠體化學可知,分散在溶液中的膠體顆粒表面由于優先吸附某種離子而帶正電荷或負電荷,使得在顆粒表面附近形成了擴散雙電層,這樣的顆粒在Brown運動碰撞過程中,產生排斥作用,阻止了團聚的發生。
事實上添加適當的分散劑,對粒子的穩定是非常有效的。例如JagadishC等以硝酸鹽為原料,在體系中引入蔗糖、聚乙烯醇等高分子,采用化學方法合成了5~24nm的純ZrO2以及Y2O3穩定化ZrO2。
分散劑的種類很多,有高分子有機物,如聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸銨(PAA)、N,N-二甲基甲酰銨(DMF)、蔗糖等,此外還有表面活性劑以及一些絡合物。它們在溶液中主要通過3個作用來抑制團聚。1.是通過吸附作用來降低界面的表面張力;2.是通過膠團體作用,在顆粒的表面形成一層液膜,以阻止顆粒的相互靠近;3.是利用空間位阻。表1列出了一些超細粉末制備過程中常用的一些分散劑。
干燥階段
干燥階段,濕的膠體中含有大量的水,隨著水分的蒸發,膠體中出現孔隙,在孔隙中形成大量的彎月液面,產生毛細收縮,顆粒被壓在一起。膠體中液體的表面張力越大,毛細作用越強,干燥時的團聚現象越嚴重。顆粒接近時,膠體表面上的自由水分子與自由羥基形成氫鍵,與相鄰顆粒上的水形成氫鏈,產生橋接作用。如果進一步脫水,氫鍵將轉化成強度高的橋氧鍵,導致了難以分散的硬團聚產生,如圖5所示。
近年以來,人們在超細粉末制備過程中探討了多種在干燥階段抑制和消除團聚的方法。
有機溶劑置換
這是一種比較常用的防團聚方法。其原理就是利用表面張力小的有機溶劑置換顆粒表面吸附的水分,以降低顆粒聚結所產生的毛細管力。常用的溶劑有正丁醇、乙醇、丙酮,表2列出了幾種溶劑的表面張力,從表中可以看出水的表面張力最大,而正丁醇、乙醇、丙酮的表面張力只有水的1/3左右。
因此用有機溶劑來置換沉淀中夾雜的水分,可以大大減輕因毛細管力而引起的顆粒聚集。同時粒子表面吸附的-OH基團被-OC4H9,-OC2H5等基團取代,增大了粒子間的空間位阻。毛細管力的降低和空間位阻的增大的雙重作用使粒子間的團聚得到了有效的減輕。董國利等在制備TiO2的過程中,用乙醇置換水得到醇凝膠,由醇凝膠脫水,得到了團聚少的粒子。
冷凍干燥法
冷凍干燥脫水主要利用水在相變過程中的膨脹力使相互靠近的顆粒分開,固態冰的形成阻止了顆粒的重新聚集。冰升華后,由于沒有水的表面張力作用,固相顆粒不會過分靠近,從而避免了硬團聚的產生。冷凍干燥一般有兩種工藝:一是直接對凝膠抽成真空,氣液平衡后,水分不斷的蒸發,溫度降低,系統沿著氣液兩相界線至三相點開始結冰至液相消失,再沿氣固兩相界線至系統的極限壓力,最后冰升華完成干燥,即經過1→2→3→4四個步驟。二是將凝膠快速冷卻,再抽成真空升華。目前常用的致冷劑為液氨。
應用冰凍干燥方法的優點是獲得的粉末純度高,化學均勻性好,細度高,粒徑分布比較集中;比表面積大,化學活性好,粒度較細,密度較高。但是用于工業生產時,設備投資高,工藝控制比較復雜,不能用于連續處理。
共沸蒸餾法
使粉體與沸點比水高的正丁醇充分混合攪拌進行共沸蒸餾,正丁醇和水在92.17℃形成共沸混合物,其中組成中水的含量為94.15%。體系升溫到正丁醇的沸點117℃后,膠體中包裹的水分基本上被脫除,表面上的-OH被-OC4H9所代替,從而避免了在干燥和煅燒段硬團聚的產生。王金敏等改進了工藝,采用了減壓蒸餾技術,大幅的降低體系的沸點,使水分子的脫除在較低的溫度甚至可以在室溫下進行,成功的制備出了單分散的超細氧化鋅粉體。缺點是正丁醇回收比較復雜,對環境也有負面影響。
超臨界流體干燥法
超臨界流體是指物質的溫度和壓力分別在其臨界溫度和臨界壓力以上的一種特殊狀態的物質。在這種狀態下氣液界面和表面張力消失。超臨界流體的顯著特點是它的許多物理性質和化學性質介于液體和氣體之間,兼具二者的優點。其干燥技術是基于超臨界流體高的傳質特性和零表面張力,在脫除水分的同時不影響樣品分子的原有序列,從而得到了團聚較輕的非常規產物。
噴霧干燥法
將乳濁液或者溶液利用噴霧器噴入干燥塔內進行霧化,進入塔內的霧滴與塔內熱空氣會合而進行干燥,霧滴中的水分受熱空氣的干燥作用,在塔內蒸發,從而形成干粉。其優點是迅速的將乳濁液或者溶液噴出霧化,從時間和空間上使團聚失去可能性。而且容易得到流動性較好的球狀團粒,該團粒具有良好的流動性,易于成形。缺點是該方法需要大型裝置,而且難以得到細微粉末。
超聲波空化
近年以來,超聲波化學研究的領域日益活躍。超聲波的空化作用產生高溫高壓,加速了水分子的蒸發,減少了凝膠表面的吸附水分子。此外超聲波空化作用產生的沖擊波和微射流具有粉碎作用,可以將形成的團聚體擊碎,釋放出所包合的水分子,從而有可能阻止氫鍵的形成,達到防止團聚的目的。同時所得的凝膠密度增大,干燥時只有很小的收縮現象,因而干燥時也能達到防止團聚的效果
隨著科學技術的發展,超細粉末的應用日趨廣泛,開發超細粉末的工藝非常重要。粉體的團聚是一個比較復雜的過程,涉及的內容很多。雖然目前國內外對團聚的研究取得了一定的進展,但要進一步弄清楚團聚形成的機理和工藝條件對團聚的影響,以減少粉末的團聚,還需要我們科研工作者不懈的努力。
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