重质碳酸钙粉体颗粒为什么会团聚？
重质碳酸钙（ GCC） 是一种广泛应用的非金属 矿物粉，白度高、遮盖力好、流动性优良，是造纸用 颜料的主要来源。 造纸用涂料要求高浓低黏，使重 质碳酸钙分散成高浓度变得非常重要。 目前对碳酸 钙颗粒分散已有较广泛的研究，但主要集中在高效 分散剂的制备及对分散效果的影响研究上，对碳 酸钙分散机理也有部分研究，获得的信息对超细 碳酸钙分散提供了借鉴。 但要制备高浓度高分散性 的重质碳酸钙， 还必须全面了解 GCC 颗粒的团聚 机理、GCC 分散机理以及 GCC 的分散效果科学评价这三个环节。
重质碳酸钙颗粒团聚机理
用于造纸涂料的重质碳酸钙是一种经湿磨后 得到的微细颗粒，颗粒的细度级别因用途不同而不 同， 如涂料的底涂 GCC 可稍粗， 面涂 GCC 必须细 小，细度达到 95%以上(<2μm)。 颗粒破碎过程表面 分子处于不平衡状态，其内部或表面分子都具有一 定程度的吸引力。 进一步细化时，具有活性的表面 面积会变得非常大，此时细小颗粒表面张力便延伸 捕捉其周围的物质， 并随着粒度超细化而更加严重。
从热力学的角度来说，由于超细粉体拥有巨大 的比表面积，其表面能相当大，造成体系处于相对 极不稳定的热力学状态。 而且固体的微细化过程 中，小粒子的内部结合力、晶格不断地被破坏，颗粒表面形成许多不饱和键， 使颗粒的表面活性和体 系的总能量不断增加，使超细粉的表面性质变得更加活跃，必须吸附周围的物质。 通常在介质中加入 分散剂以稳定颗粒。
重质碳酸钙颗粒团聚通过三个作用力进行，一是吸引力(电磁力，负值)，二是排斥力(静电力)，三是空间位阻力。 三个力之和正值越大，表示斥力越大， 颗粒越稳定；三个力之和负值越大，表示吸引力越 大，颗粒越团聚。 由于这三种力引起的原因不同，可分别分析和计算位能。
电磁力也就是常说的范德华引力，是由于相互 作用的粒子内部偶极的影响产生的，表现为相互吸 引。 它的计算可用下式粗略表示：
VA/KT=-A(d/H)（ 1）
式中：VA－吸引力；KT－粒子的动能， 即所有粒 子布朗运动具有的动能；K－Boltzmann 常数；T－绝对 温度；A－常数，代表溶液特性；d－粒子直径；H－粒子外表面分隔距离。
由式（ 1） 可知，颗粒越细，颗粒间吸引力越小； 分散体系中颗粒数越少，分开距离远，颗粒间吸引 力越小。 同时介质特性很重要。
而静电排斥力起因于溶液及粒子表面上电荷 的分布不均匀，主要是加入体系中的电解质型分散 剂，使粒子表面吸附离子，造成粒子间的排斥现象。 总的情况就是电荷的双电层， 一层位于粒子的表面，另一层存在于扩散区域，向外伸入溶液。 双电层的厚度与离子浓度、离子价数有关，增加离子价或离子浓度均降低双电层厚度 d， 该厚度降低会降低粒子间的排斥力 VR。这个排斥力还与溶液介电常数θ、粒子直径 d、Zeta 电位 ζ，两粒子间表面距离 H 有关，粗略表达如下：
VR/KT= 0.01θ d ζ^2 ln (1+exp-H/δ) (2)
习惯上吸引力 VA 为负值， 排斥力 VR 为正值， 吸引力及排斥力的和可表示分散粒子的稳定性，和为正，则以分散稳定为主，和为负，则发生絮聚。 两者和的表达式为：
VR +VA = 0.01θ d ζ^2 ln (1+exp-H/δ)- A(δ/H)（ 3）
从方程(3)看出，颗粒分散稳定性的影响因素多 而复杂。 对于水性分散体系，θ 一定， 增加颗粒的表 面 Zeta 电位，可明显提高排斥力；双电层厚度 δ 增大，也可提高排斥力；而粒子直径 d 和两粒子间距 离 H 对排斥力的贡献则具有不确定性。
而空间位阻力是颗粒吸附高聚物后， 使颗粒 互相靠近变得困难，产生了一种新的斥力位能— 空间位阻能(VSR)，它的计算可采用如下式进行：
（4）式中：R 为颗粒半径；δ 为高分子吸附层厚度， 相当于吸附分子长度；H 为颗粒间的间距；K 为 Boltzmann 常数，1.381×10-23 J·K-1；Ar 为一个大分子 在颗粒表面所占面积；若大分子在颗粒表面上的吸 附量较小，吸附层厚度可用经验公式表示为：
（5）式中：MW 为高分子吸附质的相对分子质量。 由式（ 4） 看出，空间位阻位能的影响因素多，关系复 杂，较难直接观察，必须计算。
当体系中加入离子型高分子表面活性剂作为分散剂时，分散体系稳定性增加，体现在以下几方 面：
1） 高分子电离后，吸附在颗粒表面的电荷增加，Zeta 电位增加 ， 同时双电层厚度也增加 ， 根据式（ 2），颗粒之间的静电斥力位能(VR)增加 ；
2）高聚物吸附在颗粒表面， 引起粒子间距离增大， 根据式（1），颗粒间的引力位能(VA)减小；
3）颗粒吸附高聚 物后，根据其相对分子量，可计算吸附层厚度，根据 式（ 4），吸附层厚度和该大分子在颗粒表面所占面 积一起作用，如果吸附量多，但在颗粒表面所占面 积并不大，根据式（ 4） 所得的空间斥力位能较大。 而吸附分子所占颗粒面积超过 1 倍时，空间斥力位能 有可能减小，也就是高聚物在分子量更高时可作为 絮凝剂的原因。 分散体系总的位能 VT 为
VT = VR + VA + VSR （ 6）
分散颗粒是否团聚取决于分散体系总位能的 大小，如果数值为正，则团聚不明显，相反，数值为 负，颗粒必定再团聚。 因为分散体系总能量是相对 于粒子的布朗运动能量来分析的，因而总有一些粒 子的能量高于布朗运动粒子的平均能量，保持颗粒分散状态的最好的总位能不能刚好为 0， 小于 0 颗粒必定团聚。
来源：中国粉体技术网
