改变颗粒的物性以控制其流变性

简介：

许许多多的材料，包括陶瓷，水泥，粘合剂，油漆，药物，油墨，表面涂层，矿物浆料以及化妆品等，都可以视为一个分散体系，即一种物质，通常为颗粒物，分散在另一相中所形成的体系。

了解颗粒物性的意义：

在油墨材料领域内，有时为了优化印刷工艺流程，既要保持材料关键的流变特性，又要改变配方中固体颜料的含量，这时候，了解颗粒的性质和流变学方面的知识通常就会起到很大的帮助作用。在水泥工业领域中，了解关于材料聚合形态的知识也有助于控制水泥材料在加工或者应用过程中的流变行为。

对于一些化妆品或者个人护理用品，其中所用到的材料的流变行为与颗粒特性的联系对于在配方设计，应用性能和消费者接受程度三者之间取得一个平衡是非常重要的。分散颗粒的物理特性，包括颗粒粒径分布，平均颗粒粒径，颗粒形状，界面电动势或者颗粒上的电荷等，都会影响到整体材料的性能，例如材料的流变性能。

本文列举了分散体系的十大基本特性，并解释了它们对于材料流变性能的影响。所举的例子也阐述了材料的流变性能是如何通过改变分散颗粒的性质（如粒径，粒径分布，形状和界面电动势等）而得到调控的。

减小颗粒粒径提高黏度：

如图1所示，在体积分数恒定的情况下，减小颗粒的粒径会增加粒子的数量。相反 这又会增加颗粒之间的相互作用程度，尤其是亚微米颗粒间的相互作用。颗粒的表面电荷，水合作用，以及这些颗粒周围的吸附层会大幅提高颗粒的有效流体动力学直径。

图1：减小颗粒粒径提高材料黏度

颗粒数量增多所带来的影响通过这些吸附层得到放大，反过来，通过提高特定粒子的有效体积分数而增大悬浮液的黏度值。在低剪切速率作用下，由于颗粒间的相互作用占据主导地位，可以明显观察到在此范围内当颗粒的粒径减小时，材料的黏度值会增大。

增大颗粒粒径减小黏度：

材料的黏度在颗粒粒径增大时只会表现出轻微的增大，因为任何由于颗粒表面电荷或者吸附层而引起的有效流体动力学直径的增大都是微不足道的。但是，在低剪切速率作用下，由于颗粒间的相互作用占据主导地位，可以明显观察到当颗粒的粒径增大时，材料的黏度值会减小（如图2所示）。

图2：颗粒的粒径增大时，材料的黏度值通常会减小

增加粒径分布减小黏度：

粒径分布较宽的颗粒相比于粒径分布较窄的同类悬浮颗粒而言，能够以一种更好的形式堆积。在颗粒粒径分布较宽的情况下，通常具有更多的自由空间用于单个粒子移动。这样一来，样品就会更易流动。这也意味着材料的黏度更低。因此，悬浮液类型材料的黏度和稳定性能够通过减小颗粒的粒径分布而得到提高（如图3所示）。

图3：当颗粒粒径分布增大时，材料黏度值降低

粒径大小及粒径分布对黏度的影响：

当体积分数保持恒定时，既包含大粒径颗粒又包含小粒径颗粒的样品的黏度值往往会比那些只含有大颗粒或者只含有小颗粒的样品的黏度值低。这主要与两个因素有关。其一就是涉及到颗粒间的相互作用的程度，当颗粒粒径减小时，颗粒间的相互作用程度会增大，这样，材料的黏度值也会随着升高。另外一个因素，材料的黏度值会随着颗粒粒径分布的增大而减小。在这种情况下，颗粒粒径分布对黏度值减小的影响更加显著（如图4所示）。

 

图4：粒径大小及粒径分布对黏度值的影响

增加颗粒数量以改变其流动特性：

当颗粒的粒径保持恒定时，越来越多的颗粒的引入将会将其流动行为从牛顿式转变为剪切变稀式，进而变为剪切增稠式（如图5所示）。在牛顿型流体中，只含有很少量的颗粒以至于它们彼此之间不会发生相互作用，然而在剪切变稀式流体中，就会发生颗粒间的相互作用，但是当增加剪切速率则会打破颗粒间的这一相互作用，因为此时的相互作用力非常薄弱。相反，在剪切增稠式流体中，更多颗粒的出现会引起颗粒彼此间的物理碰撞以及结合，也因此造成了剪切增稠现象。

 

图5:增加体系中颗粒的数量会改变材料的流动特性

提高界面电动势增大低剪切黏度： 

对于粒径小于1mm的颗粒，例如胶体，低剪切黏度值会随着界面电动势（正或负）的增大而增大（如图6所示）。当颗粒界面电动势增大，颗粒彼此间会变得排斥，因此也造成了颗粒有效粒径的增大，这样一来就阻止了颗粒的自由流动。反过来就会增加材料的黏度值。在低剪切速率时，影响更为显著，因为此时颗粒间的相互作用力支配着剪切力。

图6：提高界面电动势增大低剪切黏度

界面电动势朝着等电点降低带来的影响： 

当界面电动势朝着等电点降低时，可以创建一个自立的凝胶体系，其中包含的颗粒粒径大于1mm（此时，重力变得非常重要）且浓度较高（如图7所示）。在这时引入一个屈服应力，会引起颗粒彼此靠近并因为分子间的范德华力而形成一种可逆的絮凝状结构。但是，短程的排斥力会阻止颗粒永久的聚集在一起。

 

图7：界面电动势朝着等电点降低带来的影响

光滑颗粒较尖锐/不光滑颗粒

通常具有更低的低剪切黏度值： 

在悬浮液中，具有低凸性等复杂轮廓的颗粒通常会具有更高的机械流动阻力。此外，具有低凸性等复杂轮廓的颗粒相比那些大小接近，表面更加光滑的颗粒而言通常具有更大的比表面积，这样使得颗粒彼此间的相互作用更加活跃。这些影响在高固体载荷时会表现得更加显著。更加粗糙的颗粒周围的液体流动轨迹也将会大大偏离。这种影响最终导致了材料黏度值的增加（如图8所示）。

 

图8：光滑颗粒较尖锐/不光滑颗粒通常具有更低的低剪切黏度值

细长型颗粒：

对于球形颗粒，增加剪切力会破坏颗粒彼此间的相互作用，引起一种剪切变稀的现象。相反的，低剪切力作用下下细长颗粒的随机取向意味着它们具有更大的体积。然而，在高剪切力作用下，这些取向的细长颗粒都会在流动方向上有效的堆积。因此，含有细长颗粒的悬浮液相比于那些含有球形颗粒的悬浮液而言，通常表现出更多的剪切变稀行为以及具有更高的低剪切黏度（如图9所示）。

 

图9：细长型颗粒相比同样大小的球形颗粒通常具有更高的低剪切黏度以及更低的高剪切黏度

柔软/可弯曲颗粒：

对于同等大小的颗粒（柔软/可弯曲颗粒和坚硬/刚性的颗粒）而言，剪切变稀效应在柔软/可弯曲颗粒中表现得更加显著。对于柔软的颗粒，通过施加剪切力，就可以改变颗粒的形状。于是，在剪切力作用下，这些颗粒都会变成细长型并且排列整齐，最终形成了一个具有较低高剪切黏度且更易剪切变稀的体系（如图10所示）。

图10：对于尺寸相同的颗粒，柔软/可弯曲颗粒较坚硬/刚性颗粒往往更易发生剪切变稀现象

原文：azom

译者：vince