改變顆粒的物性以控制其流變性

徒步者的收藏 2016-06-23

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簡介：

許許多多的材料，包括陶瓷，水泥，粘合劑，油漆，藥物，油墨，表面涂層，礦物漿料以及化妝品等，都可以視為一個分散體系，即一種物質，通常為顆粒物，分散在另一相中所形成的體系。

了解顆粒物性的意義：

在油墨材料領域內(nèi)，有時為了優(yōu)化印刷工藝流程，既要保持材料關鍵的流變特性，又要改變配方中固體顏料的含量，這時候，了解顆粒的性質和流變學方面的知識通常就會起到很大的幫助作用。在水泥工業(yè)領域中，了解關于材料聚合形態(tài)的知識也有助于控制水泥材料在加工或者應用過程中的流變行為。

對于一些化妝品或者個人護理用品，其中所用到的材料的流變行為與顆粒特性的聯(lián)系對于在配方設計，應用性能和消費者接受程度三者之間取得一個平衡是非常重要的。分散顆粒的物理特性，包括顆粒粒徑分布，平均顆粒粒徑，顆粒形狀，界面電動勢或者顆粒上的電荷等，都會影響到整體材料的性能，例如材料的流變性能。

本文列舉了分散體系的十大基本特性，并解釋了它們對于材料流變性能的影響。所舉的例子也闡述了材料的流變性能是如何通過改變分散顆粒的性質（如粒徑，粒徑分布，形狀和界面電動勢等）而得到調控的。

減小顆粒粒徑提高黏度：

如圖1所示，在體積分數(shù)恒定的情況下，減小顆粒的粒徑會增加粒子的數(shù)量。相反這又會增加顆粒之間的相互作用程度，尤其是亞微米顆粒間的相互作用。顆粒的表面電荷，水合作用，以及這些顆粒周圍的吸附層會大幅提高顆粒的有效流體動力學直徑。

圖1：減小顆粒粒徑提高材料黏度

顆粒數(shù)量增多所帶來的影響通過這些吸附層得到放大，反過來，通過提高特定粒子的有效體積分數(shù)而增大懸浮液的黏度值。在低剪切速率作用下，由于顆粒間的相互作用占據(jù)主導地位，可以明顯觀察到在此范圍內(nèi)當顆粒的粒徑減小時，材料的黏度值會增大。

增大顆粒粒徑減小黏度：

材料的黏度在顆粒粒徑增大時只會表現(xiàn)出輕微的增大，因為任何由于顆粒表面電荷或者吸附層而引起的有效流體動力學直徑的增大都是微不足道的。但是，在低剪切速率作用下，由于顆粒間的相互作用占據(jù)主導地位，可以明顯觀察到當顆粒的粒徑增大時，材料的黏度值會減?。ㄈ鐖D2所示）。

圖2：顆粒的粒徑增大時，材料的黏度值通常會減小

增加粒徑分布減小黏度：

粒徑分布較寬的顆粒相比于粒徑分布較窄的同類懸浮顆粒而言，能夠以一種更好的形式堆積。在顆粒粒徑分布較寬的情況下，通常具有更多的自由空間用于單個粒子移動。這樣一來，樣品就會更易流動。這也意味著材料的黏度更低。因此，懸浮液類型材料的黏度和穩(wěn)定性能夠通過減小顆粒的粒徑分布而得到提高（如圖3所示）。

圖3：當顆粒粒徑分布增大時，材料黏度值降低

粒徑大小及粒徑分布對黏度的影響：

當體積分數(shù)保持恒定時，既包含大粒徑顆粒又包含小粒徑顆粒的樣品的黏度值往往會比那些只含有大顆粒或者只含有小顆粒的樣品的黏度值低。這主要與兩個因素有關。其一就是涉及到顆粒間的相互作用的程度，當顆粒粒徑減小時，顆粒間的相互作用程度會增大，這樣，材料的黏度值也會隨著升高。另外一個因素，材料的黏度值會隨著顆粒粒徑分布的增大而減小。在這種情況下，顆粒粒徑分布對黏度值減小的影響更加顯著（如圖4所示）。

圖4：粒徑大小及粒徑分布對黏度值的影響

增加顆粒數(shù)量以改變其流動特性：

當顆粒的粒徑保持恒定時，越來越多的顆粒的引入將會將其流動行為從牛頓式轉變?yōu)榧羟凶兿∈?，進而變?yōu)榧羟性龀硎剑ㄈ鐖D5所示）。在牛頓型流體中，只含有很少量的顆粒以至于它們彼此之間不會發(fā)生相互作用，然而在剪切變稀式流體中，就會發(fā)生顆粒間的相互作用，但是當增加剪切速率則會打破顆粒間的這一相互作用，因為此時的相互作用力非常薄弱。相反，在剪切增稠式流體中，更多顆粒的出現(xiàn)會引起顆粒彼此間的物理碰撞以及結合，也因此造成了剪切增稠現(xiàn)象。

圖5:增加體系中顆粒的數(shù)量會改變材料的流動特性

提高界面電動勢增大低剪切黏度：

對于粒徑小于1mm的顆粒，例如膠體，低剪切黏度值會隨著界面電動勢（正或負）的增大而增大（如圖6所示）。當顆粒界面電動勢增大，顆粒彼此間會變得排斥，因此也造成了顆粒有效粒徑的增大，這樣一來就阻止了顆粒的自由流動。反過來就會增加材料的黏度值。在低剪切速率時，影響更為顯著，因為此時顆粒間的相互作用力支配著剪切力。

圖6：提高界面電動勢增大低剪切黏度

界面電動勢朝著等電點降低帶來的影響：

當界面電動勢朝著等電點降低時，可以創(chuàng)建一個自立的凝膠體系，其中包含的顆粒粒徑大于1mm（此時，重力變得非常重要）且濃度較高（如圖7所示）。在這時引入一個屈服應力，會引起顆粒彼此靠近并因為分子間的范德華力而形成一種可逆的絮凝狀結構。但是，短程的排斥力會阻止顆粒永久的聚集在一起。

圖7：界面電動勢朝著等電點降低帶來的影響

光滑顆粒較尖銳/不光滑顆粒

通常具有更低的低剪切黏度值：

在懸浮液中，具有低凸性等復雜輪廓的顆粒通常會具有更高的機械流動阻力。此外，具有低凸性等復雜輪廓的顆粒相比那些大小接近，表面更加光滑的顆粒而言通常具有更大的比表面積，這樣使得顆粒彼此間的相互作用更加活躍。這些影響在高固體載荷時會表現(xiàn)得更加顯著。更加粗糙的顆粒周圍的液體流動軌跡也將會大大偏離。這種影響最終導致了材料黏度值的增加（如圖8所示）。

圖8：光滑顆粒較尖銳/不光滑顆粒通常具有更低的低剪切黏度值

細長型顆粒：

對于球形顆粒，增加剪切力會破壞顆粒彼此間的相互作用，引起一種剪切變稀的現(xiàn)象。相反的，低剪切力作用下下細長顆粒的隨機取向意味著它們具有更大的體積。然而，在高剪切力作用下，這些取向的細長顆粒都會在流動方向上有效的堆積。因此，含有細長顆粒的懸浮液相比于那些含有球形顆粒的懸浮液而言，通常表現(xiàn)出更多的剪切變稀行為以及具有更高的低剪切黏度（如圖9所示）。

圖9：細長型顆粒相比同樣大小的球形顆粒通常具有更高的低剪切黏度以及更低的高剪切黏度

柔軟/可彎曲顆粒：

對于同等大小的顆粒（柔軟/可彎曲顆粒和堅硬/剛性的顆粒）而言，剪切變稀效應在柔軟/可彎曲顆粒中表現(xiàn)得更加顯著。對于柔軟的顆粒，通過施加剪切力，就可以改變顆粒的形狀。于是，在剪切力作用下，這些顆粒都會變成細長型并且排列整齊，最終形成了一個具有較低高剪切黏度且更易剪切變稀的體系（如圖10所示）。