2.4　磁性颗粒的再分散与调控

悬浮液的分散就是使固体颗粒在悬浮液中呈原始单体状态弥散分布于液相的过程，即使原生颗粒稳定分散而不产生聚团或使已形成的聚团碎解成较小的聚团或原始单体颗粒。悬浮体系由分散质和分散介质两部分组成，被分散的物质称为分散质，而连续相称为分散介质。在固-液悬浮体系中，水、有机极性介质和有机非极性介质是自然界中存的三类液体介质。其典型代表为水、乙醇和煤油。另外，分散剂是指能使固体颗粒在液体中分散的添加剂，其基本特性是易于在固-液界面吸附，从而使固体表面或固-液界面性质发生显著变化。分散剂可分为无机电解质、表面活性剂和有机高聚物。其中，分散剂按在水中是否解离，分为离子型和非离子型两类，离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。按分子大小可分为小分子型分散剂和高分子分散剂。对于固液悬浮分散体系，控照分散质和分散介质的性质大致可将分散体系分为以下四类：

①亲水性分散质与极性分散介质体系；

②亲水性分散质与非极性分散介质体系；

③疏水性（亲油）分散质与极性分散介质体系；

④疏水性（亲油）分散质与非极性分散介质体系。

悬浮液中固体颗粒分散遵循以下两个基本原则：

①润湿原则（极性相似原则）。颗粒必须被液体介质润湿，从而能很好地浸没在液体介质中。

②表面力原则。颗粒间的总表面力必须是一个较大的正值，使颗粒间有足够的相互排斥作用，以防止其互相直接接触并黏着。

2.4.1　磁性颗粒的润湿

固体颗粒的润湿过程实际上是液相与气相争夺固体颗粒表面的过程，即可以看做固-气界面消失和固-液界面的形成过程。这主要取决于颗粒表面及液体的极性差异。

如果颗粒与液体均为极性的话，液-固表面就容易取代气-固表面而液体润湿固体表面；如果两者为非极性，基本情况也与此类似。若两者的极性不同，如颗粒具有极性表面，而液体为非极性物质，则颗粒的润湿过程就不能自发进行，必须对颗粒表面改性或施加外力，如重力、流体动力等。

固体颗粒被浸入在液体介质中时，颗粒间存在两种不同状态：一种是颗粒彼此之间发生聚团行为，形成团聚体，使单个颗粒长大成为二次颗粒，这种颗粒相互黏附，连结成聚集体的状态称为聚团；另一种是颗粒之间相互排斥，形成稳定的分散的悬浮液。多数情况下，颗粒的分散和聚团往往发生于同一个悬浮体系。如果聚团行为强于分散行为，则悬浮体系呈不稳定的聚团特性，若分散行为占主导地位，则悬浮体系呈分散稳定特性。

另外，颗粒在悬浮液中受重力的作用而沉降，颗粒的沉降速度决定于固体颗粒的密度、液体介质的密度、黏度以及固体颗粒的粒径大小。当颗粒粒径为1.2μm时，单位时间的重力沉降距离与布朗运动的扩散位移相等。因此，粒度在微米级以下的颗粒，液体介质分子热运动的作用占据主导作用，导致颗粒在液体介质中的无序扩散运动，即所谓的布朗运动。重力作用相对不起主导作用，颗粒不再表现出明显的重力沉降运动。对于亚微米和纳米级颗粒，重力沉降作用衰减到可以完全忽略不计的程度，这种超细颗粒只要途径适当，本可以稳定地分散、悬浮在水介质中，但往往受到分子作用力等表面吸引力的作用而聚团沉降。

2.4.2　颗粒分散的判据

在悬浮体系中，颗粒的分散稳定性取决于颗粒间相互作用的总作用力或总作用能（UT）。这取决于范德华作用能（UA）、静电排斥能（UR）、吸附层的空间位阻作用能（UST）、疏水作用能（US）及溶剂化作用能（UHI）的相对关系。

　　（2-7）

一般认为，在电解质溶液中，当颗粒的势能曲线上势垒大于15kBT时，颗粒处于稳定分散状态；反之，则颗粒有聚团趋势。由于作用于颗粒间的各种作用力或作用能是随环境条件变化而变化的，添加分散剂对颗粒在液体介质中的润湿、碎解及悬浮体的分散与聚团的影响都起着重要作用。所以可以通过采用化学或物理方法调控颗粒表面的性质，实现颗粒在液体介质中充分分散。

介质对颗粒的分散行为有明显的差异，介质的选择必须符合分散调控第一原则，固体颗粒表能被液体润湿。例如，亲水性的氧化硅颗粒和碳酸钙颗粒在水、乙醇和煤油中分散行为截然不同，在水和乙醇中均具有较好的分散行为，但在煤油中几乎不能分散，呈很强烈的聚团现象。疏水性滑石和石墨颗粒在水、乙醇及煤油中分散与亲水性颗粒具有截然相反的分散特征，在水中具有显著的聚团行为。乙醇和水按一定比例混合时，乙醇体积分数对颗粒的分散行为有显著影响，当体积分数达到50%时，无论是亲水性颗粒还是疏水性颗粒的分散性和润湿性同时达到最佳状态；乙醇体积分离大于50%时，亲水颗粒分散性和润湿性同时逐渐降低。

2.4.3　悬浮液分散的调控

固体颗粒悬浮液分散调控途径包括：介质调控、分散剂调控、机械搅拌和超声调控。

（1）介质调控

根据颗粒表面的性质选择适当的分散介质，可以获得充分分散的悬浮液。选择分散介质的基本原则是：非极性颗粒易于在非极性液体中分散，极性颗粒易于在极性液体中分散，即所谓相同极性原则。

极性相似原则只是悬浮液分散的原则之一，极性颗粒在水中可以表现出截然不同的分散聚团行为。这说明悬浮液的一系列物理化学条件调控也至关重要，通过物理化学条件调控才能保证固体颗粒在极性相似的液体中互相排斥，从而实现良好的分散。

（2）分散剂调控

在液相中颗粒表面力分散调控原则，主要是通过添加适当的分散剂来实现的，它的添加显著增强了颗粒间的相互排斥作用，为颗粒的良好分散营造出所需要的物理化学条件。增强排斥作用主要通过以下三种方式来实现：

①增大颗粒表面电位的绝对值，以提高颗粒间的静电排斥作用。

②通过高分子分散剂在颗粒表面形成的吸附层之间的位阻效应，使颗粒间产生很强位阻排斥力。

③调控颗粒表面极性，增强分散介质对它的润湿性，在满足润湿原则的同时，增强了表面溶剂化膜，提高了它的表面结构化程度，使结构化排斥力大增强。

不同分散剂不尽相同，主要有三种类型的分散剂：无机电解质、表面活性剂和高分子分散剂。其中，无机电解质如聚磷酸钠、硅酸钠等，前者聚合度一般为2～100，后者在水溶液中生成硅酸聚合物，硅酸钠通常用于强碱性介质中。

六偏磷酸钠和硅酸钠对氧化硅、碳酸钙、滑石和石墨颗粒在水中具有良好分散作用，无机电解质分散剂在颗粒表面的吸附，不仅能显著地提高颗粒表面电位的绝对值从而产生强大的双电层排斥作用，而且也能增强水对颗粒表面的润湿程度，从而增大溶剂化膜的厚度和强度，进一步增强颗粒的相互排斥作用。

高分子分散剂的致密吸附膜对颗粒的聚团-分散状态有非常显著的作用，常用的有机高分子链上几乎均匀分布着大量的极性基团。因此，有机分子在颗粒表面的致密吸附必然导致颗粒表面的亲水化，增强表面对极性液体的润湿性，这有助于颗粒分散。高分子作为分散剂主要是利用它在颗粒表面的吸附膜的强大空间位阻排斥效应。由于高分子分散剂的吸附膜厚度通常能达到数十纳米，几乎与双电层厚度相当甚至更大，因此它的作用在颗粒相距相当远时便开始表现出来，由于作用距离过长，使其他的表面力无法显现。

表面活性剂作为分散剂也有广泛应用，阳离子型、阴离子型和非离子型表面活性剂均可作为分散剂，对于亲水性颗粒，在表面活性剂的浓度较低时使它们的表面疏水化，从而诱导产生疏水作用力，使颗粒疏水化团聚；而对于强疏水颗粒，表面活性剂的作用恰好相反，它的烃链通过疏水缔合作用在表面吸附，而将极性基团朝外，使表面亲水化。

（3）机械搅拌调控

机械搅拌分散是指通过强烈的机械搅拌方式引起液流强湍流运动而使颗粒聚团碎解悬浮。机械分散的必要条件是机械力（指流体的剪切力及压应力）大于颗粒间的黏着力。团聚体的破碎必须考虑能量和体积因素，颗粒被部分液体浸湿后，用机械力可以使团聚体碎解。浸湿过程中的搅拌能增加聚团的碎解程度，从而加快整个分散过程。机械分散离开搅拌作用，外部环境复原，它们又可能重新聚团。因此，采用机械搅拌与化学分散方法结合的复合手段通常可获得更好的分散效果。

（4）超声调控

悬浮液中超声空化作用产生机械、热、光、电化学及生物等各种效应。超声调控就是利用超声的能力作用于物质，改变物质的性质或状态。在颗粒分散中，超声调控主要用于固体颗粒悬浮液的分散。

超声波的作用之一是在介质中产生空化作用所引起的各种效应；其次是在超声作用下悬浮体系中集合体或颗粒等的共振而引起的共振效应，介质可否产生空化作用，取决于超声波的频率和强度。在低声频的场合易于产生空化效应，在高声频的场合时共振效应仍起支配作用。

超声作用对降低纳米团聚颗粒非常有效，利用超声空化时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等可大幅度地弱化纳米颗粒间的作用能，有效防止纳米颗粒团聚而使之有效分散。但应避免使用过热超声搅拌，因为随着热能和机械能的增加，颗粒碰撞的概率也增加，反而导致进一步团聚，选择最低限度的超声分散方式来分散纳米颗粒是合理的。