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湖南經源MEM精混機處理超細粉體的團聚問題

超細粉體在空氣中的分散自始至終一直困擾著顆粒技術及其相關的工業領域，特別是隨著納米技術的發展，顆粒的團聚問題顯得尤為突出。

1.超細粉體的團聚行為

超細粉體的粒度小、表面積大、表面能高，非常容易產生自發的凝并，并表現出了強烈的團聚特性，特別容易團聚生成粒徑較大的二次顆粒。團聚的結果導致了超細顆粒材料性能的嚴重劣化，實際上已經劣化成為微米級顆粒的性能。

表1給出了CaCO₃顆粒的真粒徑(一次顆粒)與實際團聚粒徑(二次顆粒)。可以看出，CaCO₃顆粒的實際團聚粒徑是其真粒徑的2~32倍。

表1粉體的真粒徑與實際團聚粒徑

2.粉體團聚的根源

2.1 顆粒帶電

通常情況下，顆粒與氣體、液體或固體接觸時可以帶電。這種帶電又引起其它不同現象。顆粒間的團聚現象就是其中之一。圖1表示出了不同金屬氧化物的帶電極性。金屬氧化物的帶電極性大體可以用構成氧化物的金屬原子在元素周期表上位置預測。堿土金屬氧化物帶正電，酸性金屬氧化物帶負電圖。圖2是氧化物顆粒的帶電量與組成氧化物的金屬離子的電負性的關系。可以看出，二者呈較好的線性關系。不僅金屬氧化物，即使是硫化物、氟化物等也同樣存在類似關系。

圖1 各種金屬氧化物顆粒的接觸帶電極性

2.2水分子對粉體團聚的影響

2.2.1 水分子吸附對粉體間抗張強度的影響

粉體顆粒在一定的蒸氣環境中，由于蒸氣壓的不同和顆粒表面不飽和力場的作用，顆粒均要或多或少凝結或吸附一定量的蒸氣，在其表面形成液膜。其厚度與顆粒表面的親液程度和蒸氣濕度有關，親液性越強，濕度越大，則液膜越厚，顆粒接觸點處形成環狀的液相橋連，產生抗張強度。圖2是不同相對濕度的水蒸氣氣氛對CaCO₃顆粒間的抗張強度的影響。圖3為CaCO₃顆粒間抗張強度與水蒸氣相對濕度的關系。可以看出，隨著相對濕度的增加，顆粒間的抗張強度隨之增大。這是由于相對濕度越高，顆粒表面對水分的吸附量越大，形成較完整的液膜橋連所致。

圖2氧化物顆粒的帶電量與組成氧化物的金屬離子電負性的關系

圖3 不同相對濕度的水蒸氣氣氛中,CaCO₃顆粒間的抗張強度與空隙率的關系

2.2.2 空氣濕度對不同顆粒團聚的影響

當空氣的相對濕度超過65%時，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集，顆粒間因形成液橋而大大增強了團聚作用。圖4為相對濕度對不同表面性質顆粒團聚作用的影響。可見，顆粒之間的黏附率隨空氣的相對濕度增大而提高，另外疏水化顆粒的表面可通過減少蒸氣在其上的吸附削弱黏結力，即使在濕度很小的環境中，疏水化對顆粒在平板上的黏附也有明顯的影響，如圖5所示。

圖4 CaCO₃顆粒間抗張強度與水蒸氣相對濕度的關系

圖5未處理及處理過的玻璃球在玻璃板上的黏附率

1-玻璃球與玻璃板的黏附率；2-玻璃板經過硅烷化處理；3-玻璃球經過硅烷化處理；4-玻璃板及玻璃球均經過強化處理

2.2顆粒間作用力對粉體團聚的影響

一般而言，顆粒在空氣中具有強烈的團聚傾向，其團聚的根源是粒間存在吸引力。分子之間總是存在著范德華力，此力的作用距離較短，是吸引力，大小與分子間距離的六次方成反比，但作用范圍大于化學鍵力。隨著粒間距離的增大，范德華力的衰減程度明顯變慢，這是因為存在著多個分子的綜合相互作用之故。顆粒間范德華力的有效距離可達50nm，是長程力；其次由于大多數顆粒在干空氣中是自然荷電的，從而產生靜電引力；另外，顆粒間還存在著液橋引力、磁吸引力和固體架橋力等。其中，范德華力、靜電力和液橋力三種引力對顆粒在空氣中的團聚行為是最為重要的。

范德華力、液橋力、靜電力的大小都隨顆粒半徑的增大呈線性增大的趨勢。圖6描述了各種力的最大值與顆粒直徑的關系，說明靜電力比液橋力和范德華力小得多。

圖6顆粒間的各種作用力與顆粒直徑的關系

1-液橋力；2-導體的靜電力；3-絕緣體的靜電力；4-范德華力

3.超細粉體團聚的分散

在空氣中，顆粒的團聚主要是液橋力造成的，保持顆粒干燥尤其是超細粉體的干燥是防止團聚的重要措施。

在非常干燥的情況下，粉體的團聚則是由范德華力引起的，故采用氣流流化分散+表面改性劑的涂覆等是極其有效的防止團聚的方法。

4.結語

湖南經源科技長期致力于鋰電材料中，超細粉體的制備與分散技術，目前，公司已開發出多款超細粉體的制備和分散設備，包括濕法包覆機、氣力混合機、氣流粉碎機等，且已在鋰電正極材料制備行業中的多個工藝段實現成功應用。目前處理團聚問題有非常好的效果。

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