湖南经源MEM精混机处理超细粉体的团聚问题

超细粉体在空气中的分散自始至终一直困扰着颗粒技术及其相关的工业领域，特别是随着纳米技术的发展，颗粒的团聚问题显得尤为突出。

1.超细粉体的团聚行为

超细粉体的粒度小、表面积大、表面能高，非常容易产生自发的凝并，并表现出了强烈的团聚特性，特别容易团聚生成粒径较大的二次颗粒。团聚的结果导致了超细颗粒材料性能的严重劣化，实际上已经劣化成为微米级颗粒的性能。

表1给出了CaCO₃颗粒的真粒径(一次颗粒)与实际团聚粒径(二次颗粒)。可以看出，CaCO₃颗粒的实际团聚粒径是其真粒径的2~32倍。

表1粉体的真粒径与实际团聚粒径

2.粉体团聚的根源

2.1 颗粒带电

通常情况下，颗粒与气体、液体或固体接触时可以带电。这种带电又引起其它不同现象。颗粒间的团聚现象就是其中之一。图1表示出了不同金属氧化物的带电极性。金属氧化物的带电极性大体可以用构成氧化物的金属原子在元素周期表上位置预测。碱土金属氧化物带正电，酸性金属氧化物带负电图。图2是氧化物颗粒的带电量与组成氧化物的金属离子的电负性的关系。可以看出，二者呈较好的线性关系。不仅金属氧化物，即使是硫化物、氟化物等也同样存在类似关系。

图1 各种金属氧化物颗粒的接触带电极性

2.2水分子对粉体团聚的影响

2.2.1 水分子吸附对粉体间抗张强度的影响

粉体颗粒在一定的蒸气环境中，由于蒸气压的不同和颗粒表面不饱和力场的作用，颗粒均要或多或少凝结或吸附一定量的蒸气，在其表面形成液膜。其厚度与颗粒表面的亲液程度和蒸气湿度有关，亲液性越强，湿度越大，则液膜越厚，颗粒接触点处形成环状的液相桥连，产生抗张强度。图2是不同相对湿度的水蒸气气氛对CaCO₃颗粒间的抗张强度的影响。图3为CaCO₃颗粒间抗张强度与水蒸气相对湿度的关系。可以看出，随着相对湿度的增加，颗粒间的抗张强度随之增大。这是由于相对湿度越高，颗粒表面对水分的吸附量越大，形成较完整的液膜桥连所致。

图2氧化物颗粒的带电量与组成氧化物的金属离子电负性的关系

图3 不同相对湿度的水蒸气气氛中,CaCO₃颗粒间的抗张强度与空隙率的关系

2.2.2 空气湿度对不同颗粒团聚的影响

当空气的相对湿度超过65%时，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，颗粒间因形成液桥而大大增强了团聚作用。图4为相对湿度对不同表面性质颗粒团聚作用的影响。可见，颗粒之间的黏附率随空气的相对湿度增大而提高，另外疏水化颗粒的表面可通过减少蒸气在其上的吸附削弱黏结力，即使在湿度很小的环境中，疏水化对颗粒在平板上的黏附也有明显的影响，如图5所示。

图4 CaCO₃颗粒间抗张强度与水蒸气相对湿度的关系

图5未处理及处理过的玻璃球在玻璃板上的黏附率

1-玻璃球与玻璃板的黏附率；2-玻璃板经过硅烷化处理；3-玻璃球经过硅烷化处理；4-玻璃板及玻璃球均经过强化处理

2.2颗粒间作用力对粉体团聚的影响

一般而言，颗粒在空气中具有强烈的团聚倾向，其团聚的根源是粒间存在吸引力。分子之间总是存在着范德华力，此力的作用距离较短，是吸引力，大小与分子间距离的六次方成反比，但作用范围大于化学键力。随着粒间距离的增大，范德华力的衰减程度明显变慢，这是因为存在着多个分子的综合相互作用之故。颗粒间范德华力的有效距离可达50nm，是长程力；其次由于大多数颗粒在干空气中是自然荷电的，从而产生静电引力；另外，颗粒间还存在着液桥引力、磁吸引力和固体架桥力等。其中，范德华力、静电力和液桥力三种引力对颗粒在空气中的团聚行为是最为重要的。

范德华力、液桥力、静电力的大小都随颗粒半径的增大呈线性增大的趋势。图6描述了各种力的最大值与颗粒直径的关系，说明静电力比液桥力和范德华力小得多。

图6颗粒间的各种作用力与颗粒直径的关系

1-液桥力；2-导体的静电力；3-绝缘体的静电力；4-范德华力

3.超细粉体团聚的分散

在空气中，颗粒的团聚主要是液桥力造成的，保持颗粒干燥尤其是超细粉体的干燥是防止团聚的重要措施。

在非常干燥的情况下，粉体的团聚则是由范德华力引起的，故采用气流流化分散+表面改性剂的涂覆等是极其有效的防止团聚的方法。

4.结语

湖南经源科技长期致力于锂电材料中，超细粉体的制备与分散技术，目前，公司已开发出多款超细粉体的制备和分散设备，包括湿法包覆机、气力混合机、气流粉碎机等，且已在锂电正极材料制备行业中的多个工艺段实现成功应用。目前处理团聚问题有非常好的效果。

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