基于原子力显微镜的颗粒间表面力研究

邢耀文¹，刘敏¹，桂夏辉¹，曹亦俊¹，高志勇²，孙伟²

1. 中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心2. 中南大学资源加工与生物工程学院

摘 要：为深入明晰颗粒间表面力组分,选取玻璃微球为研究对象,并采用胶体探针原子力显微镜对不同疏水性颗粒间的微观作用力进行测试,借助经典DLVO及扩展DLVO理论对测试结果拟合分析,并通过分子动力学模拟验证试验结果.结果表明:亲水性颗粒与疏水性颗粒间相互作用力服从经典DLVO理论,在长程范围内静电斥力起主要作用,当分离距离在6 nm左右时,颗粒间范德华力克服静电排斥力;两亲水性颗粒间存在着额外的短程水化斥力,拟合发现水化斥力以0.54 nm的衰减长度按单指数模型衰减;两疏水性颗粒间则存在着强烈的疏水引力,力曲线显示:在20～40 nm范围颗粒发生明显的跳入黏附,疏水引力以1.63 nm的衰减长度按单指数模型衰减.分子动力学模拟发现,极性水分子与二氧化硅表面氧原子间存在强烈的氢键作用,表明亲水玻璃基板表面形成致密结构的水化层,诱发水化斥力;而疏水界面水分子没有氢键作用,疏水引力源于疏水界面的水分子重排熵效应.

关键词：表面力;原子力显微镜;DLVO力;水化斥力;疏水力;