2023-07-24 09:08:35

吸引和排斥位能

颜料粒子互相接近时通常包含三个主要相互作用力：

• 电磁力，本质上总是吸引力；

• 静电(库仑)力，可以是吸引力也可以是排斥力，但在考虑颜料分散时几乎总是排斥力；

• 空间位阻力(由于吸附层)，本质上是排斥力。

这几种力来源于十分不同的原因，可以分别计算，也可以相加或相减以求出总的效应(净吸引或排斥位能)。电磁力和静电力之间的相互关系是DLVO理论的基础。立体位阻对总体稳定或絮凝效应的作用仍待上升成明确的理论基础。

吸引力(本质上是电磁性的)

粒子的相互作用形成絮凝，为防止絮凝就必须克服本质上是电磁力的吸引力。这些常在的力称为伦敦一范德华力，是由于相互作用的粒子内部偶极的影响。当一个正常情况下呈非极性的粒子靠近极性粒子，因感应而带极性，这就把因素进一步复杂化。

两相似粒子间的吸引力随粒子直径而增大，随粒子分隔距离而减少。

排斥力(本质上是静电性的)

稳定粒子分散体的两个主要排斥影响之一就是静电力，它起因于包围粒子的溶液及粒子表面上离子的分布不均匀。这些离子可能来源于与粒子表面相连的可离子化物质(在某些条件下产生离解)，也可能来源于相反电荷颗粒离子的不相等的溶解。但是从实际重要性来看离子最明显的来源是仔细加入分散体中的可电离物质(电解质)，目的是使粒子表面对一种离子引起不相等的吸附。

实际上常发现粒子是带负电荷的。在水性分散体中这一观察更为真实，其中阴离子(负电荷，通常较少水合)明显地比多水合的阳离子(正电荷)更易于吸附。

一旦由于选择吸附了负离子或正离子便得到电荷，粒子就趋向于吸引带相反电荷的溶液离子，把它们带至有电荷的粒子表面附近。因此带电荷粒子的周围是一层溶液，近乎密集着与粒子表面电荷相反的离子。这些离子称为平衡离子。

总的情况就是电荷的双电层，一层位于粒子的表面，另一层即中和层，存在于扩散区域，向外伸入溶液。从这种不相等的离子分布产生的静电电位，以粒子表面最高，随着深入溶液而迅速降落。对于指定的液体介质而言，随着离粒子表面距离更远而使电位降落的速率主要取决于溶液的离子浓度及离子价数。增加二者中任一个，大大促进静电电位随距离而快速降落。

尽管双电层没有明确的终点(因为电位按指数规律降落)，然而给它一定的厚度值，δ，仍是方便的。此任选的双电层厚度相当于粒子表面至静电电位降落至原始值的0.37的距离。

双电层厚度δ，与液体介质的介电常数，离子价(阳离子，阴离子均同)，离子浓度有关。增加离子价或离子浓度均可降低双电层厚度。

δ值的降低则导致分散稳定性的降低。

以介电常数而言，别的数据假定相等不变，则水体系中两个粒子的排斥力比醇酸体系的大20倍。

对任一指定的分隔距离而言，排斥力随粒子大小而增加。

以ζ电位量度的粒子电荷具有特别强烈的排斥影响。

排斥效应因离子浓度增大而大幅度下降。实际上，离子浓度越大，最终将消除全部排斥反应。离子价数增大也同样使排斥力消失。分散稳定性取决于静电排斥力，显然它要求最低的离子浓度，而且要避免一价以外的离子。

已经通过实验证实了：用双电层稳定的分散体，只要加入痕量不同的电解质(盐)，即电解质与稳定性(吸附)电解质之间没有相同离子那么就易于絮凝。不同的平衡离子的絮凝力与其价的六次方成正比。

这着重说明必须防止任何外来的平衡离子进入，特别是二，三价离子。

吸引(电磁性)及排斥(静电性)力的综合效应

两个粒子间的距离对于粒子是否被吸引或排斥是一个决定性因素。

分散稳定性主要取决于粒子是否有足够的热能超过此排斥障碍，并穿透入吸引区域。应该指出，对具有布朗运动的粒子所赋予的能量值kT是一个平均值，在任一粒子组成中，粒子的能量高于或低于此平均值。因此为了确保对那些具更高能量粒子的稳定性，排斥障碍或许应该更多。

当溶液的离子浓度增加时，排斥障碍消失。甚至加入痕量的盐便能消失排斥力，导致不可避免的絮凝。

排斥力(空间位阻)

粒子表面的一层吸附物质对互相靠近的粒子可以提供一种立体(空间)阻碍，即在靠近的粒子之间插入一机械阻碍。立体位阻与静电排斥相结合所稳定的体系会趋于十分稳定。胶体物质如蛋白质、树胶、淀粉及纤维素衍生物均能吸附于粒子表面，形成一高度粘稠、高度结构性的外层。假如胶体的未被吸附部分特别易混溶于溶液(对水分散体而言即强烈亲水性)，则更加强保护作用。如果在这方面起作用的话，这些物质称为保护胶体。

设想一下在没有静电排斥力的条件下空间位阻稳定性的机理是有趣的。假定一种情况：颜料粒子吸附一层物质(一种保护胶体)，厚度为5纳米，因此当吸附层的外表正好相接触时，粒子相隔的有效距离为10纳米。在这种分隔距离下，较小粒子的吸引力要低于较大粒子。尽管较小粒子在吸引区一边，可是应当记住粒子能量在平均值kT上下变动。因此很可能有若干个具更高能量的较小粒子在絮凝体形成时即将其冲松，断裂，并再度分散。根据这一点，可以想象粒子直径小于0.2μm，在有保护性机械阻碍帮助下，尽管处于净吸引影响中，仍可形成中等稳定的分散体。大大超过0.2μm的粒子其吸引力会太强，以致不能分开或不能促使再分散。

除了在两个靠近粒子间插入占体积的物质之外，实际上吸附层也可能具有排斥作用(不同于静电力)。理论和实际的研究表明吸附层，当强力使其紧密接近时，也表现出相互排斥效应。

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