淺析顆粒分布對粘彈性流體時間依賴流動行為的影響

王陳東

摘要：漿料作為一種常見的粘彈性流體，其流變性能與其中顆粒的分布狀況有關。通過模擬漿料在生產過程的儲存、使用和平流穩定過程，探索顆粒分布對其時間依賴的流動行為的影響。結果表明，漿料的起始黏度隨著流體體系小尺寸顆粒占比的升高而增大，隨顆粒粒度分級的增大而減小;體系中大尺寸顆粒占比多有助于漿料使用時黏度的快速穩定，小尺寸顆粒占比多有助于漿料結構恢復能力的提高，把控其中不同尺寸的顆粒占比，提供工藝調試參考意見。

關鍵詞：時間依賴性;粘彈性流體;粒度;黏度

1 引言

粘彈性流體作為典型的非牛頓流體之一，在生活中并不少見，鋰離子電池生產中制備的正極漿料便是其中的一種，它不滿足牛頓粘性定律，在外界應力的大小變化下會表現出粘性和彈性的差異[1]。

同時，在經過大量實驗的測試后，可知正極漿料的粘彈性及觸變性[2]使其擁有明顯的時間依賴性，即當外界條件保持不變（如剪切速率恒定），漿料的黏度并非時時保持不變;不同的恒剪切速率切換時，黏度隨時間變化而恢復的差異會表現地尤為明顯。

對于一定濃度的漿料，其流變性能與其中顆粒的分布狀況有關。本文通過模擬漿料在生產過程的儲存、使用和平流穩定過程，探索顆粒分布對正極漿料表現出來的時間依賴的流動行為的影響。

2 實驗部分

2.1 材料和試劑

材料：正極漿料;試劑：N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液（色譜純，上海晶純生化科技股份有限公司）。

2.2 儀器

激光粒度儀（MS3000，英國馬爾文儀器有限公司）;流變儀（MCR92，奧地利安東帕（中國）有限公司。

2.3 測試條件

（1）借由激光粒度儀，以NMP為分散劑，設置合適的吸收率與折射率，控制遮光度范圍為10%～20%，對正極漿料的顆粒分布情狀況進行分析;

（2）采用安東帕流變儀的多段測試程序，根據模擬漿料生產條件，控制設備的測試溫度為25℃。

3 結果與討論

3.1 粘彈性分析

根據“應力-模量”測試分析，圖1為正極漿料的剪切應力τ與其儲能模量G'、損耗模量G''之間的一般變化關系圖。

由圖1可知，粘彈性流體在外界應力較小的情況下，儲能模量G'始終大于損耗模量G''，流體表現為彈性，形變為彈性形變;當應力增大到一定值后，樣品開始流動，損耗模量G''大于儲能模量G'，流體表現為粘性，形變為塑性形變;兩條曲線的交點即為線性彈性區與流動區的分界點[3]。

3.2 時間依賴的流動行為與顆粒分布情況的關系分析

選取3罐由相同機械攪拌工藝條件下制得的均勻的正極漿料，表1與圖2為漿料中顆粒的粒徑分布情況，圖3為漿料在三段模擬生產的儲存（低剪切速率：0.1s-1）、使用（高剪切速率：300s-1）和平流穩定（低剪切速率：0.1s-1）的測試程序下得到的結果曲線，因部分參數值較小，在X軸與Y軸上使用對數坐標處理。

通過以上結果分析，可以發現：

（1）同樣模擬儲存狀態，正極漿料C因體系中的小尺寸顆粒的數量占比多，顆粒與顆粒之間的相互作用增強，起始黏度大;漿料A與B相比，其顆粒的粒度分級更多，即徑距更寬，顆粒之間堆積效果更佳[4]，自由運動空間更大，宏觀表現為樣品更易流動，黏度越低，這樣的情況在低剪切速率時的變化會表現地更加鮮明。

（2）在經過“使用”的高剪切速率破壞后，“平流穩定”過程中漿料時間依賴的流動行為差異便表現出來。因大顆粒的沉降速率較小顆粒快，漿料A、B會在更短的時間內黏度趨于穩定;而漿料C中小尺寸顆粒更強的相互作用，內部分子之間因物理團聚或靜電吸引作用而的網狀結構[5]更多，最終趨于穩定的耗時越長，黏度值越高。

根據極片生產的過程特點，要求漿料的黏度“多變可控”：在儲存時擁有高粘度，減少顆粒沉降;在使用時要求漿料粘度低，確保更均勻地涂覆于集流體表面;在涂覆結束后的平流穩定過程中，又需要漿料盡快恢復穩定地高黏度，避免因平流過程出現拖尾現象或涂層下厚上薄的缺陷。

4 結論

本文通過模擬漿料在生產過程的儲存、使用和平流穩定過程，發現顆粒分布對正極漿料（粘彈性流體）表現出來的時間依賴流動行為的影響主要有以下兩點：

（1）漿料的起始黏度隨著體系中小尺寸顆粒占比的升高而增大，隨著顆粒粒度分級的增大而減小;

（2）體系中大尺寸顆粒占比多有助于漿料在經過高剪切速率破壞后黏度的快速穩定，但存在因顆粒沉降導致涂層不均的風險;小尺寸顆粒占比多有助于漿料結構恢復能力的提高，但穩定時間較長。

為確保生產制得的漿料滿足期望的要求，把控漿料中不同尺寸顆粒的分布，對漿料質量初步判斷，以便開展工藝調試。

參考文獻

[1]顧培韻， 潘勤敏， 孫建中，等. 粘彈性流體流變特性的研究[J]. 浙江大學學報（自然科學版）， 1994（1）：88-93.

[2]胡圣飛，李慧，胡偉，等.觸變性研究進展及應用綜述[J].湖北工業大學學報，2012，27（2）：57-60.

[3]周大鵬， 許平華， 范宏. 玻纖增強酚醛樹脂復合材料的粘彈性——材料儲能模量模型的建立[J]. 材料科學與工程學報， 2008（06）：140-143.

[4]葉大年. 顆粒堆積問題[J]. 地質科技情報， 1988（04）：17-19.

[5]Gebhard S. 實用流變測量學[M].朱懷江譯.（修訂版），北京：石油工業出版社，2009.