颗粒气泡黏附科学:基于AFM和DWFA的颗粒气泡间疏水作用力研究

邢耀文¹，桂夏辉¹，韩海生²，孙伟²，曹亦俊^1,3，刘炯天^1,3

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3. 郑州大学河南资源与材料产业河南省协同创新中心

摘 要：为探索颗粒气泡体系疏水力的长程及短程来源机制,分别采用原子力显微镜(AFM)和浮选动态润湿膜分析仪(DWFA)对气泡与同一疏水玻璃基板间的疏水力进行测试。AFM发现气泡与亲水性玻璃基板间的相互作用力为单调斥力作用,体系不存在诱发液膜失稳的引力作用项。疏水性颗粒气泡间的液膜是不稳定的,当AFM负载力到达19. 3 nN时,力曲线中观察到了明显的跳入黏附现象。疏水玻璃与气泡间的疏水力以3. 50 nm的衰减长度按单指数模型衰减,液膜在32. 96 nm临界破裂厚度处破裂。该疏水力倾向于一种短程力(<50 nm),其源自界面的水分子重排熵效应。DWFA法同样发现亲水性玻璃基板与气泡间的液膜是稳定的,当总分离压力与气泡内部拉普拉斯压力相等时,液膜到达133 nm的平衡膜厚度。疏水性玻璃基板与气泡间的液膜是不稳定的,液膜发生快速薄化并分别在185 nm临界膜厚处破裂。对疏水力进行定量求解发现该力以47. 30 nm的衰减长度衰减,所获得的疏水力为一种长程作用力,该力源于固液界面纳米气泡空化效应。AFM和DWFA排液试验中所用的气泡尺寸分别为微米级及毫米级,疏水力受气泡本身的尺寸影响,与气泡表面的毛细波传播有关,在吸引力作用下大气泡表面会形成更强烈的毛细波震荡。由于疏水界面水分子的热力学不稳定性,这种界面波动会诱发疏水固液界面空化气泡的析出,增加了引力作用程。

关键词：颗粒-气泡;黏附;疏水力;AFM;DWFA;