谈论粉体形貌时我们到底在关注什么？

日期: 2024-03-28

作者: 华体会中国

  “诸以形貌命者，若山丘室庙者皆是也。”出自《墨子·大取》的“形貌”一词，现在更多的是作为化学体系的专有名词来使用。粒子形貌包括形状、表面缺陷、粗糙度等，但主要指形状。对于超细粉末的制备，粉末的高性能正是生产的经济效益所在。而粉末的性能特别大程度上取决于粉末粒子的形貌和粒度等特征。

  粉末的结构形貌特征包括粉末的形状、化学组成、内外表面积、体积和表面缺陷等。它们一起决定了粉末的综合物理化学性能。

  对超细粉末的形貌的要求也因用途而异。例如电解用的氧化铝，要求在生产的全部过程中分解所得的氢氧化铝为球状;而做各种纸张涂布颜料用的氢氧化铝则要求其为片状;又如磁记录介质用超细三氧化铁磁粉要求形状是轴径比大于的针状;而颜料用的超细三氧化铁最好是棒状、盘状、薄板状的。

  超细粒子的形貌往往对操作条件很敏感。溶液浓度、反应体系中阴离子的种类、反应体系是不是密封等因素均可能会影响到粒子的形貌。晶粒形貌虽然受到许多因素的影响，但是有关它形成的机理不外乎热力学控制和动力学控制。总而言之，能够应用四种途径来理解和控制沉淀粒子的形状变化热力学平衡态下的形状控制、动力学控制、聚集作用控制和添加剂调控。

  其基本思想是从晶体内部结构和热力学的基础原理出发，导出晶体的平衡生长形态，先后发展出几种代表性的理论描述。

  Gibbs-Wullf定律认为晶体在生长过程中可以自我调整形态，使其总表面能达到最小的趋势;Frank运动学理论提出了两个基本定律，根据法向生长速率与晶面取向的关系来计算预测晶体的生长形态;PBC理论认为晶体中存在着由一系列强键不间断地连贯成的键链，并呈周期性重复，称为周期键链......

  包括扩散控制生长理论和界面控制生长理论。扩散控制生长时，溶质分子长在晶粒边、角上的速度要比长在晶面上的速度快，久而久之，容易长出枝晶状的粒子。界面控制生长理论把晶体的生长界面结构模型分为光滑面和粗糙面两类，且存在一个临界温度，界面发生光滑面和粗糙面的转化。

  但也有的人觉得，该理论的界面结构模型过于简化，动力学规律的推导不够严谨，假定条件过多，而且也没考虑环境相结构的影响。

  粒子的聚集分为两种布朗运动引起的聚集和流体运动剪切力引起的聚集。通过计算机模拟了两种聚集方式;单体聚集和集团聚集。根据结果得出聚集粒子具有分形生长的特点。借助计算机模拟，可以部分揭示关于聚集粒子形成的机理，较好地解释沉淀制粉过程中的某些现象以及实现聚集体的形貌特征控制和预测。

  使用添加剂，往往可以显著地影响上述三种控制手段的实施效果。添加剂加入后可能会通过四种机制来影响晶粒的形状变化：

  对不同的沉淀体系，不同的添加剂，其作用机制是不一样的，产生的效果也会有很大差别。

  不同粒径，不同元素，粉体的多种多样性也造成了其影响来源既广又多。哪怕是同一物质，也会存在有截然不同的差异，会影响粉体形貌的因素自然也不会少。但是，即使影响来源复杂，但影响因素无外乎那几类。以下以湿化学法制备为例，介绍几种影响粉体形貌的因素。

  (2)pH值改变杂质的活性。即改变杂质络合或水合状态，使杂质敏化或钝化，PH值的作用也能改变晶面的吸附能力，因pH值对其有较大的影响；

  (3)pH值直接影响晶体生长。通过改变各晶面的相对上涨的速度，引起晶体生长习性的改变。

  生长温度对晶体的习性和质量都有影响。可通过生长习性随温度的变化，选择正真适合的生长温度以获得所需的晶体。晶体生长过程很少是纯表面反应或是纯扩散过程。一般在较低的温度下，结晶过程主要由表面反应这一步控制当温度上升时，生长速度加快，扩散就慢慢的变成为控制结晶过程的主要步骤了。

  过饱和度是结晶的驱动力，不同过饱和度会产生不同的生长机制，过饱和度对晶体生长速度、质量和晶体外形影响都很大。晶体在低饱和度下生长时，速度较慢，晶面发展比较充分，一些高指数的次要晶面容易出露。随着过饱和度的增加，逐渐减轻到最后消失。

  添加剂产生的影响，一般多归结为生长晶面对添加剂的吸附作用，因此导致了晶体生长速率的变化，而最终反映到晶体形态上。由于晶体的各向异性，添加剂在晶体的不同晶面上经常发生选择性吸附。这种吸附常使某些晶面的生长受到阻碍，因而改变了各晶面的相对生长速度。在添加剂改变结晶习性的例子中有不少是由这种问题导致的。

  不同应用领域对功能粉体材料形貌与粒度的多样性要求，为粉体材料制备技术发展提出了新的要求。因此，在微纳粉末制备过程中，根据其应用需要进行粉末结构、形貌控制就具有十分重要的意义。

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