粉體在液體介質中的分散體系被稱為懸浮液。懸浮液為一種介于膠體和粗分散體系的固液懸浮體系,而固液懸浮體系存在于多個領域內,如石油化工、涂料、顏料、納米材料、磁性材料、農藥等領域,固液懸浮體系中的超細粉體具有極大的比表面積和較高的比表面能,是熱力學上不穩定體系,當其分散在分散介質中容易發生團聚,影響其性能的發揮。因此,對于制備穩定性好的懸浮體系,是各個領域的技術關鍵。對于如何保證懸浮體系的穩定性以及懸浮體系的穩定機理的研究,一直是指導生產技術的重要理論基礎,而這些研究成果和技術對于懸浮液的開發也有積極的借鑒意義。
分散穩定性機制
A 上浮,漂浮 B沉降 C聚并 D絮凝,聚結 E奧氏熟化 F相轉變
一般而言,分散體系均屬于熱力學不穩定體系。但是對于一個比較穩定的分散體系,它的變化速率可能會很慢,具有一定的動力學穩定性。
影響動力學穩定性的固有因素有:
a)分散相(粉體/顆粒)體積濃度(例如,空間均勻性,稀的或濃的)
b)連續相的狀態(例如,密度,粘度,表面張力,化學勢,溶劑的性質)
c)分散相的狀態(例如粒徑大小,形狀、密度,顆粒的變形能力,顆粒表面的結構)
d)顆粒之間的相互作用(例如,靜電作用和范德華力,空缺絮凝力)
e)分散相和連續相之間的相互作用(例如,潤濕性,界面張力,界面流變,樣品流變性、溶解度和不溶解度、網絡結構形成)
影響固液懸浮體系分散穩定性的實驗因素:
1.粉體在液體介質中的分散方法
大部分的固液懸浮體系是通過機械分散來加工的,主要是利用機械運動的沖擊作用和剪切作用使粉體形成分散懸浮液。但機械分散的主要問題是一旦顆粒離開機械作用產生的渦流場,外部環境復原,它們又可能重新形成團聚。因此,需要在固液懸浮體系中添加必要的助懸成分提高其懸浮穩定性。
但是在固液懸浮體系中,密度差不可能為零,直徑也不是越小越好,因為直徑越小,固體顆粒比表面積越大,界面能也就越大,終導致顆粒間互相聚結合并長大。因此只有在適宜的范圍內調整粘度,通過降低固體顆粒沉降速度獲得良好的懸浮穩定性,一般采用的方法是在懸浮液中添加增稠劑來提高分散體系的粘度。
2.分散劑種類和用量
在研究懸浮劑的抗 聚結穩定性上,通常利用加入分散劑來實現,使用的分散劑主要有陰離子表面活性劑、 非離子表面活性劑和大分子助劑等(路福綏,2000)。目前來說,在懸浮液的制備過程中,為了獲得良好的分散穩定性,選用合適的分散劑以及分散劑的用量,是一條重要的途徑。但是只有合適的分散劑種類是不夠的,從懸浮液的穩定性上來說,分散劑用量的濃度也需要一個合適的量,超過一定的量也會造成分散不穩定。對于顆粒濃度比較低的 懸浮液,可以用沉降速度表示分散劑對顆粒分散的效果。對于濃度很高的顆粒懸浮液, 添加適量的分散劑,可使大的二次團聚顆粒分散成小的二次團聚或一次顆粒。另外還要控制懸浮液的黏度,選擇合適的分散劑也能降低黏度。在使用與顆粒表面電荷相反的分散劑時,要增加分散劑的用量形成雙分子層才能起到良好的分散效果。
3 電解質與懸浮體系穩定性
水中存在高價的離子如Ca2+、Mg2+、Al3+等離子,必然會影響著顆粒的分散穩定 性。氯化鈉等電解質用量過大,在顆粒表面產生雙電層的是值增大,因此阻礙顆粒間團 聚的靜電斥力作用減弱,分散穩定性效果變差,電解質濃度越高,普通的小分子分散劑分散效果變差,甚至*喪失,在這樣的高電解質水溶液中,對顆粒表面具有吸附基團 的非離子高分子分散劑顯示出了顯著分散效果,主要原因在于高分子分散劑在懸浮體系 中除了通過吸附顆粒間的靜電排斥,還能形成強大的空間位阻作用,抑制顆粒靠近聚結。
4.流變性
在懸浮液的制備過程中流變學特性是漿料穩定性的直接體現(巴勒斯HA,1992)。懸浮液的流變性與其本身的固含量、pH值、粉體粒徑和分散劑等密切相關(Hoffman RL,1991; Russel WB, 1991), 王浚等(1999)研究了高含量Y-TZP懸浮液的流變性特性,采用聚丙烯酸鹽(NaPAA、 NH4PAA)為分散劑,研究了分散劑、粉體粒徑和固含量對Y-TZP懸浮液流變學性能的影響。結果表明分散劑含量為1.8%時懸浮液粘度低,而且懸浮液黏度隨固含量的增大而增大,在固含量相同時,粉體顆粒增加可以有效降低漿料的粘度。但在實踐中,溫度、靜置時間及剪切時間對懸浮液的表觀黏度及流變性也有影響。
分散穩定性的檢測方法:
在實踐中,有必要選擇合適的表征分散穩定性的測試方法。如果可能,建議選擇一種不需要樣品制備的方法,樣品是在其原始狀態下進行分析的。分散體的狀態是復雜的,任何樣品制備都可以改變本身狀態。(ISO TR 13097)
1. 觀察法
這種方法已經被應用了幾個世紀,以檢驗分散體系隨時間的變化情況估計它的保質期。樣品放置在試管、測試瓶或容器中,在實際存儲條件下長期觀察。在適當的時間間隔,天、星期或月進行定性,定性結果報告為“是/否合格”或“變化多/少”。觀察法簡單而且成本低,但需要大量的存儲空間,并且它們是耗時的,主觀的結取決于操作人員且不可追蹤。
2.精密儀器分析方法
與視覺觀察相比,儀器方法的結果是客觀和可追溯的。他們也表現出更高的靈敏度,重現性和數據存儲。適當的測量程序可以根據樣品的穩定性指標選擇。垂直掃描技術特別適用于相分離的檢測,有助于區分相分離和粒徑變化。
Turbiscan多重光散射儀采用近紅外光源搭配透射光和背散射光檢測器,沿著樣品垂直高度掃描,每40微米記錄一個光強信號。樣品始終保持自然狀態,儀器按照設定的周期對樣品進行掃描,定量分析樣品不同高度上的粒徑和濃度變化,全面表征不穩定現象,分析粉體在液體介質中的失穩機理。