重質(zhì)碳酸鈣粉體顆粒為什么會團(tuán)聚？
重質(zhì)碳酸鈣（ GCC） 是一種廣泛應(yīng)用的非金屬 礦物粉，白度高、遮蓋力好、流動性優(yōu)良，是造紙用 顏料的主要來源。 造紙用涂料要求高濃低黏，使重 質(zhì)碳酸鈣分散成高濃度變得非常重要。 目前對碳酸 鈣顆粒分散已有較廣泛的研究，但主要集中在高效 分散劑的制備及對分散效果的影響研究上，對碳 酸鈣分散機(jī)理也有部分研究，獲得的信息對超細(xì) 碳酸鈣分散提供了借鑒。 但要制備高濃度高分散性 的重質(zhì)碳酸鈣， 還必須全面了解 GCC 顆粒的團(tuán)聚 機(jī)理、GCC 分散機(jī)理以及 GCC 的分散效果科學(xué)評價這三個環(huán)節(jié)。
重質(zhì)碳酸鈣顆粒團(tuán)聚機(jī)理
用于造紙涂料的重質(zhì)碳酸鈣是一種經(jīng)濕磨后 得到的微細(xì)顆粒，顆粒的細(xì)度級別因用途不同而不 同， 如涂料的底涂 GCC 可稍粗， 面涂 GCC 必須細(xì) 小，細(xì)度達(dá)到 95%以上(<2μm)。 顆粒破碎過程表面 分子處于不平衡狀態(tài)，其內(nèi)部或表面分子都具有一 定程度的吸引力。 進(jìn)一步細(xì)化時，具有活性的表面 面積會變得非常大，此時細(xì)小顆粒表面張力便延伸 捕捉其周圍的物質(zhì)， 并隨著粒度超細(xì)化而更加嚴(yán)重。
從熱力學(xué)的角度來說，由于超細(xì)粉體擁有巨大 的比表面積，其表面能相當(dāng)大，造成體系處于相對 極不穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)。 而且固體的微細(xì)化過程 中，小粒子的內(nèi)部結(jié)合力、晶格不斷地被破壞，顆粒表面形成許多不飽和鍵， 使顆粒的表面活性和體 系的總能量不斷增加，使超細(xì)粉的表面性質(zhì)變得更加活躍，必須吸附周圍的物質(zhì)。 通常在介質(zhì)中加入 分散劑以穩(wěn)定顆粒。
重質(zhì)碳酸鈣顆粒團(tuán)聚通過三個作用力進(jìn)行，一是吸引力(電磁力，負(fù)值)，二是排斥力(靜電力)，三是空間位阻力。 三個力之和正值越大，表示斥力越大， 顆粒越穩(wěn)定；三個力之和負(fù)值越大，表示吸引力越 大，顆粒越團(tuán)聚。 由于這三種力引起的原因不同，可分別分析和計算位能。
電磁力也就是常說的范德華引力，是由于相互 作用的粒子內(nèi)部偶極的影響產(chǎn)生的，表現(xiàn)為相互吸 引。 它的計算可用下式粗略表示：
VA/KT=-A(d/H)（ 1）
式中：VA－吸引力；KT－粒子的動能， 即所有粒 子布朗運(yùn)動具有的動能；K－Boltzmann 常數(shù)；T－絕對 溫度；A－常數(shù)，代表溶液特性；d－粒子直徑；H－粒子外表面分隔距離。
由式（ 1） 可知，顆粒越細(xì)，顆粒間吸引力越小； 分散體系中顆粒數(shù)越少，分開距離遠(yuǎn)，顆粒間吸引 力越小。 同時介質(zhì)特性很重要。
而靜電排斥力起因于溶液及粒子表面上電荷 的分布不均勻，主要是加入體系中的電解質(zhì)型分散 劑，使粒子表面吸附離子，造成粒子間的排斥現(xiàn)象。 總的情況就是電荷的雙電層， 一層位于粒子的表面，另一層存在于擴(kuò)散區(qū)域，向外伸入溶液。 雙電層的厚度與離子濃度、離子價數(shù)有關(guān)，增加離子價或離子濃度均降低雙電層厚度 d， 該厚度降低會降低粒子間的排斥力 VR。這個排斥力還與溶液介電常數(shù)θ、粒子直徑 d、Zeta 電位 ζ，兩粒子間表面距離 H 有關(guān)，粗略表達(dá)如下：
VR/KT= 0.01θ d ζ^2 ln (1+exp-H/δ) (2)
習(xí)慣上吸引力 VA 為負(fù)值， 排斥力 VR 為正值， 吸引力及排斥力的和可表示分散粒子的穩(wěn)定性，和為正，則以分散穩(wěn)定為主，和為負(fù)，則發(fā)生絮聚。 兩者和的表達(dá)式為：
VR +VA = 0.01θ d ζ^2 ln (1+exp-H/δ)- A(δ/H)（ 3）
從方程(3)看出，顆粒分散穩(wěn)定性的影響因素多 而復(fù)雜。 對于水性分散體系，θ 一定， 增加顆粒的表 面 Zeta 電位，可明顯提高排斥力；雙電層厚度 δ 增大，也可提高排斥力；而粒子直徑 d 和兩粒子間距 離 H 對排斥力的貢獻(xiàn)則具有不確定性。
而空間位阻力是顆粒吸附高聚物后， 使顆粒 互相靠近變得困難，產(chǎn)生了一種新的斥力位能— 空間位阻能(VSR)，它的計算可采用如下式進(jìn)行：
（4）式中：R 為顆粒半徑；δ 為高分子吸附層厚度， 相當(dāng)于吸附分子長度；H 為顆粒間的間距；K 為 Boltzmann 常數(shù)，1.381×10-23 J·K-1；Ar 為一個大分子 在顆粒表面所占面積；若大分子在顆粒表面上的吸 附量較小，吸附層厚度可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為：
（5）式中：MW 為高分子吸附質(zhì)的相對分子質(zhì)量。 由式（ 4） 看出，空間位阻位能的影響因素多，關(guān)系復(fù) 雜，較難直接觀察，必須計算。
當(dāng)體系中加入離子型高分子表面活性劑作為分散劑時，分散體系穩(wěn)定性增加，體現(xiàn)在以下幾方 面：
1） 高分子電離后，吸附在顆粒表面的電荷增加，Zeta 電位增加 ， 同時雙電層厚度也增加 ， 根據(jù)式（ 2），顆粒之間的靜電斥力位能(VR)增加 ；
2）高聚物吸附在顆粒表面， 引起粒子間距離增大， 根據(jù)式（1），顆粒間的引力位能(VA)減??；
3）顆粒吸附高聚 物后，根據(jù)其相對分子量，可計算吸附層厚度，根據(jù) 式（ 4），吸附層厚度和該大分子在顆粒表面所占面 積一起作用，如果吸附量多，但在顆粒表面所占面 積并不大，根據(jù)式（ 4） 所得的空間斥力位能較大。 而吸附分子所占顆粒面積超過 1 倍時，空間斥力位能 有可能減小，也就是高聚物在分子量更高時可作為 絮凝劑的原因。 分散體系總的位能 VT 為
VT = VR + VA + VSR （ 6）
分散顆粒是否團(tuán)聚取決于分散體系總位能的 大小，如果數(shù)值為正，則團(tuán)聚不明顯，相反，數(shù)值為 負(fù)，顆粒必定再團(tuán)聚。 因?yàn)榉稚Ⅲw系總能量是相對 于粒子的布朗運(yùn)動能量來分析的，因而總有一些粒 子的能量高于布朗運(yùn)動粒子的平均能量，保持顆粒分散狀態(tài)的最好的總位能不能剛好為 0， 小于 0 顆粒必定團(tuán)聚。
來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng)
