第2章粉体表面与界面化学
1. 章节内容：掌握粉体颗粒表面不饱和性及非均质性的原因。了解粉体颗粒的表面能及表面活性。掌握颗粒在气相和液体中分散的各种作用力。掌握颗粒在空气中的分散方法及固液体系中颗粒分散的调控。掌握颗粒表面改性的定义。掌握各类颗粒表面改性方法。了解改性效果的评价。
2. 课时分配：4
3. 目标及要求：
重点：颗粒在气相和液体中分散的各种作用力，颗粒在空气中的分散方法及固液体系中颗粒分散的调控，各类颗粒表面改性方法。
难点：颗粒分散的调控，颗粒表面改性方法。
4. 授课方式：课堂讲授
5. 具体授课内容：
2.1 粉末的表面现象与表面能
2.2 粉末颗粒的分散
2.3 粉末颗粒的表面改性
2.1 粉末的表面现象与表面能
掌握粉体颗粒表面不饱和性及非均质性的原因。
了解粉体颗粒的表面能及表面活性。
界面与表面
(1)界面：两相之间的接触面。
(2)表面：两相中若有一相是气相，则形成的界面为表面。
气相通常是真空、空气或物质本身的饱和蒸气。
物质破碎得越细，比表面积就越大，体系总的表面自由能也越大。细小颗粒与块状物料相比，最大的特点是比表面积大和表面能高。
粉体颗粒表面的不饱和性
由于表面原子周围缺少相邻的原子：有许多悬空键，具有不饱和性。
粉体颗粒表面的非均质性
颗粒表面通常是不规则的，原因是表面原子的能量状态不同及表面缺陷。
颗粒的细化导致比表面积急剧增大，将促进固体表面相关的反应。
粒径细化将使材料表现出奇特的性质：通常金的熔点大约是1060℃，但当把金细化到3nm的程度时，在500℃左右就融化了。
粉体细化与流动：粉体在容器中呈静止状态，但受力后能像液体一样地流出。
粉体颗粒的表面能
表面能并非系统表面上的能量，而是表面上的分子比同量的内部分子所额外超出的能量。
粉体颗粒的表面活性
颗粒表面能的数值不仅取决于比表面积的大小，还取决于断裂面的几何形状、性质和所处的位置。粒度变细后，颗粒的表面积与表面能将大大增加。
2.2 粉末颗粒的分散
掌握颗粒在气相和液体中分散的各种作用力。
掌握颗粒在空气中的分散方法及固液体系中颗粒分散的调控。
粉末颗粒粒度小，比表面大，表面能高，处于能量不稳定状态，很容易团聚导致颗粒增大。颗粒的分散性影响粉体工程单元操作和产品质量及粉体粒度的测量。
2.2.1 颗粒在气相中的分散
粉末颗粒粒径很小时，极易在空气中粘结成团，特别是微米、亚微米级的超细粉末，这种现象对粉体的加工过程极为不利。
H-----颗粒间距 A-----哈马克（Hamaker）常数 d-----颗粒半径
（1）颗粒分子间的作用力－范德华力
（2）颗粒间的静电作用力
空气中颗粒荷电的途径：
生产过程中（电解法、喷雾法、干法研磨等）
与荷电表面接触
气态离子的扩散作用—主要途径
(1)接触电位差引起的静电引力：颗粒与其他带电颗粒接触时，使颗粒表面出现剩余电荷，从而产生接触电位差。
(2)镜象力产生的静电引力:镜象力实际上是一种电荷感应力。（较小，一般忽略不计）
(3)库仑力：带电颗粒之间产生的力。
（4）液桥作用力
液桥：粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时。
（一般 空气相对湿度大于65%时，水蒸气-凝集-液桥）
颗粒间因形成液桥而大大增强了粘结力！
研究表明：液桥力比分子作用力大1-2个数量级，因此，在湿空气中颗粒的粘结力主要源于液桥力！
颗粒表面润湿性对颗粒间的调整作用：改变颗粒表面润湿性可显著地影响颗粒间的粘附力！
实际应用：
气体气氛中，粒子的凝聚，主要是液桥力起作用；干燥的条件下，范德华力的作用。
相应的措施：
空气状态下，保持物料干燥，可防止团聚！
颗粒在空气中的分散方法
机械分散：（高速叶轮圆盘及气流喷射）
是指用机械力把颗粒团聚团打散。机械分散的必要条件是机械力（通常是指流体的剪切力及压差力）应大于颗粒间的黏着力。
问题：①重新粘结②脆性物料被粉碎③设备磨损。
干燥分散：降低液桥力
由于潮湿空气中颗粒间形成液桥是颗粒团聚的重要原因，而液桥力是分子间作用力的十倍或几十倍，因此，杜绝液桥的产生后破坏业已形成的液桥是保证颗粒分散的重要途径。
工程上一般采用加热烘干法，比如用红外线、微波、喷雾干燥等手段加热微细颗粒，降低粉体的水分含量可保证物料的松散。
颗粒表面处理：
①降低润湿性抑制液桥 ②降低分子作用力
如对玻璃表面的硅烷化处理可使水对玻璃的润湿由0°提高到118°，因而可有效地抑制玻璃珠表面与平板玻璃间液桥的产生，降低相互间的作用力，减少颗粒团聚的倾向。
静电分散：
对于同质颗粒，如果表面荷电性质相同，静电力起到排斥作用，因此可用静电力进行颗粒分散。
其方法是将颗粒群连续通过电晕放电形成的离子电帘，从而使颗粒表面荷电，其最终荷电量与电场强度和颗粒的介电常数相关。
2.2.2颗粒在液体中的分散
固体颗粒在液体中的分散过程，本质上受两种基本作用支配：①固体颗粒与液体的作用（浸润）②在液体中固体颗粒之间的相互作用
浸润：由于固体表面对液体分子的吸附作用，使得固体表面的气体被液体取代的过程。
固体颗粒被液体浸润的过程，实际上就是液体与气体争夺固体表面的过程。
固体颗粒润湿性好----分散性好
固体颗粒被液体润湿的过程主要基于颗粒表面的浸润性，润湿性可用扬氏方程来表示：
如图，润湿接触角：自固液界面经液体到气液表面的夹角。
扬氏方程：
gSG―gSL=gLGcosθ
种类：沾湿：900＜θ＜1800
浸湿：00＜θ＜900
铺展：θ=00
根据表面接触角大小，颗粒分为：亲水性和疏水性两类。
颗粒润湿性分类，依据θ的大小来判别：
接触角的大小主要取决于颗粒内部结构、表面不饱和力场的性质和颗粒表面形状。
固体颗粒在液体中的聚集状态
固体颗粒被浸湿后，在液体中是分散悬浮还是形成聚团？
－－颗粒在液体中的聚集状态取决于颗粒间的相互作用 ！
a 分子作用力（范德华力）
b 双电层静电作用力
c 高分子聚合物吸附层的空间效应
d 溶剂化膜作用力
e DLVO理论
分子间的作用力：
当微粒在液体中时候，必须考虑液体分子与颗粒分子群的作用，以及这种作用对颗粒间分子作用力的影响。
Hamaker 常数：A132=(A111/2－A331/2) (A221/2－A331/2)
FM＝－A132d/24H2
不同质颗粒 ：A33介于A22与A11间则A132为负， FM为正， 排斥力。
同质颗粒： A11＝A22 A132为正， FM为负， 恒为吸引力。
