Pentru a reduce forțele van der Waals dintre pulberi, dispersanții îngrădiți steric (cum ar fi polimerii sau copolimerii grefați) sunt cea mai eficientă alegere. Aceștia slăbesc direct atracția intermoleculară prin formarea unei bariere fizice pe suprafața particulelor. Alegerea specifică depinde de mediul de dispersie (apă sau solvent organic) și de caracteristicile pulberii.
I. Sisteme neapoase: Se preferă dispersanții cu împiedicare steric.
În solvenți organici sau medii nepolare, dispersanții pe bază de polietilen glicol (PEG) sau polimetacrilat de metil (PMMA) pot forma un strat de acoperire rigid pe suprafața particulelor prin intermediul moleculelor cu lanț lung. Când distanța interparticulelor este mai mică de două ori grosimea stratului de acoperire (2δ), aceste lanțuri polimerice generează o repulsie sterică puternică, cu o barieră energetică care depășește 25 kT (k este constanta Boltzmann, T este temperatura absolută), suficientă pentru a contracara atracția van der Waals.
De exemplu, în industria acoperirilor, adăugarea de BYK-110 (un poliacrilat modificat) poate reduce vâscozitatea dispersiilor de dioxid de titan cu 40%. Acest lucru se datorează stratului protector tridimensional format de lanțurile sale moleculare pe suprafața particulelor, comprimând distanța de interacțiune a forței van der Waals de la 10 nm la sub 3 nm.
II. Sisteme apoase: Efecte sinergice ale electrostaticei și impedimentelor sterice
În mediu apos, dispersanții anionici (de exemplu, citratul de sodiu, policarboxilatul) slăbesc reacțiile van der Waals printr-un mecanism dublu: grupările lor polare (de exemplu, -COO⁻) se adsorb pe suprafața particulelor, formând un strat dublu încărcat și generând repulsie electrostatică; în același timp, segmentele nepolare (de exemplu, lanțurile de carbon) ies în apă, creând o împiedicare sterică.
Pentru a da un exemplu cu nanoparticule de fosfat de calciu, adăugarea de citrat de sodiu ar reduce potențialul zeta de la suprafața particulei de la -15 mV la -45 mV, triplând astfel forța de repulsie electrostatică. În plus, grupările hidroxil ale citratului formează legături de hidrogen cu suprafața particulei, ceea ce amplifică și mai mult împiedicarea sterică, iar în final dimensiunea agregatului particulelor este redusă de la 500 nm la 80 nm.
III. Scenarii extreme: Dispersare asistată de pulbere ultrafină
Pentru particulele de tip Geldart A cu suprafață netedă (de exemplu, catalizatori industriali), adăugarea de pulberi ultrafine cu o dimensiune a particulelor <2 μm (de exemplu, nano-silice) poate reduce forțele van der Waals prin rugozitatea suprafeței. Aceste particule ultrafine se vor atașa de suprafața particulelor principale, formând goluri fizice și, în consecință, crescând distanța particulă-particulă pe care o aveau anterior particulele aflate în contact strâns.
Conform raportului, doar prin încorporarea a 0,015% în greutate de pulbere ultrafină este posibilă îmbunătățirea performanței de fluidizare a patului de catalizator, evitarea formării de canale și stază și menținerea acestui efect timp de câteva sute de ore.
IV. Ghid de comparare a performanței dispersanților și de selecție
| Tipuri de dispersanți | Mecanismul principal de acțiune | Scenarii aplicabile | Avantaje | Efectul de inhibare a forței Van der Waals |
| Polimeri stereoedrici | Lanțurile moleculare lungi formează o barieră fizică | Sisteme de solvenți organici, suspensii cu conținut ridicat de solide | Neafectat de electroliți, foarte versatil | Excelent |
| Compozit electrostatic-stereoedric | Repulsie electrostatică + barieră fizică | Sisteme apoase, dispersie de particule anorganice/organice Efect sinergic | Stabilitate bună a dispersiei | Excelent |
| Polielectroliți (de exemplu, citrat de sodiu) | Bazat în principal pe repulsie electrostatică | Sisteme apoase, medii cu tărie ionică scăzută | Eficiență ridicată de dispersie, cost redus | Bun |
| Aditivi cu particule ultrafine | Spațiere fizică și rugozitatea suprafeței | Prelucrarea pulberii uscate, procese în pat fluidizat | Fără poluare chimică, rezistență la temperaturi ridicate | Moderat |
În aplicațiile practice, este important să se asigure că concentrația dispersantului depășește concentrația critică de micele (CMC). De exemplu, cantitatea optimă de policarboxilat adăugată în pasta de ciment este de 0,5-1,0% din masa pulberii, moment în care lanțurile moleculare sunt complet extinse, maximizând efectul de împiedicare sterică. În plus, pentru sistemele de pulberi multicomponente, doi dispersanți (cum ar fi citratul de sodiu + PEG) pot fi utilizați în combinație pentru a reduce și mai mult forțele van der Waals la mai puțin de 1/5 din valoarea lor inițială, utilizând efectul sinergic electrostatic-steric.
