Para reducir las fuerzas de van der Waals entre los polvos, los dispersantes con impedimento estérico (como polímeros o copolímeros de injerto) son la opción más eficaz. Estos reducen directamente la atracción intermolecular al formar una barrera física en la superficie de la partícula. La elección específica depende del medio de dispersión (agua o disolvente orgánico) y de las características del polvo.
I. Sistemas no acuosos: Se prefieren los dispersantes estéricamente impedidos.
En disolventes orgánicos o entornos apolares, los dispersantes de polietilenglicol (PEG) o polimetilmetacrilato (PMMA) pueden formar una capa de recubrimiento rígida sobre la superficie de la partícula mediante moléculas de cadena larga. Cuando la distancia entre partículas es inferior al doble del espesor de la capa de recubrimiento (2δ), estas cadenas poliméricas generan una fuerte repulsión estérica, con una barrera de energía superior a 25 kT (k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta), suficiente para contrarrestar la atracción de van der Waals.
Por ejemplo, en la industria de recubrimientos, la adición de BYK-110 (un poliacrilato modificado) puede reducir la viscosidad de las dispersiones de dióxido de titanio en un 40 %. Esto se debe a la capa protectora tridimensional formada por sus cadenas moleculares en la superficie de la partícula, que comprime la distancia de interacción de la fuerza de van der Waals de 10 nm a menos de 3 nm.
II. Sistemas acuosos: efectos sinérgicos de la electrostática y los impedimentos estéricos
En medio acuoso, los dispersantes aniónicos (por ejemplo, citrato de sodio, policarboxilato) debilitan a van der Waals a través de un mecanismo dual: sus grupos polares (por ejemplo, -COO⁻) se adsorben sobre la superficie de la partícula, formando una doble capa cargada y generando repulsión electrostática; al mismo tiempo, los segmentos no polares (por ejemplo, cadenas de carbono) sobresalen en el agua, creando un impedimento estérico.
Por ejemplo, con nanopartículas de fosfato de calcio, la adición de citrato de sodio reduciría el potencial zeta superficial de la partícula de -15 mV a -45 mV, triplicando así la fuerza de repulsión electrostática. Además, los grupos hidroxilo del citrato forman enlaces de hidrógeno con la superficie de la partícula, lo que amplifica aún más el impedimento estérico, y finalmente el tamaño de partícula del agregado disminuye de 500 nm a 80 nm.
III. Escenarios extremos: Dispersión asistida por polvo ultrafino
En el caso de partículas Geldart tipo A con superficie lisa (p. ej., catalizadores industriales), la adición de polvos ultrafinos con un tamaño de partícula <2 μm (p. ej., nanosílice) puede reducir las fuerzas de van der Waals mediante la rugosidad superficial. Estas partículas ultrafinas se unirán a la superficie de las partículas principales, formando espacios físicos y, en consecuencia, aumentando la distancia entre partículas que antes tenían las partículas en estrecho contacto.
Según el informe, solo incorporando 0,015 % en peso de polvo ultrafino es posible mejorar el rendimiento de fluidización del lecho del catalizador, evitar la formación de canales y estasis y mantener este efecto durante varios cientos de horas.
IV. Guía de comparación y selección del rendimiento de dispersantes
| Tipos de dispersantes | Mecanismo de acción central | Escenarios aplicables | Ventajas | Efecto de inhibición de la fuerza de Van der Waals |
| Polímeros estereoédricos | Las cadenas moleculares largas forman una barrera física | Sistemas de disolventes orgánicos, lodos con alto contenido de sólidos | No se ve afectado por los electrolitos y es muy versátil. | Excelente |
| Compuesto electrostático-estereoédrico | Repulsión electrostática + barrera física | Sistemas acuosos, dispersión de partículas inorgánicas/orgánicas Efecto sinérgico | Buena estabilidad de dispersión | Excelente |
| Polielectrolitos (por ejemplo, citrato de sodio) | Basado principalmente en la repulsión electrostática | Sistemas acuosos, entornos de baja fuerza iónica | Alta eficiencia de dispersión, bajo costo. | Bien |
| Aditivos para partículas ultrafinas | Espaciamiento físico y rugosidad de la superficie | Procesamiento de polvo seco, procesos de lecho fluidizado | Sin contaminación química, resistencia a altas temperaturas. | Moderado |
En aplicaciones prácticas, es importante garantizar que la concentración de dispersante supere la concentración micelar crítica (CMC). Por ejemplo, la cantidad óptima de adición de policarboxilato en la pasta de cemento es del 0,5 al 1,0 % de la masa del polvo, momento en el cual las cadenas moleculares se extienden completamente, maximizando el efecto de impedimento estérico. Además, para sistemas de polvo multicomponente, se pueden combinar dos dispersantes (como citrato de sodio + PEG) para reducir aún más las fuerzas de van der Waals a menos de 1/5 de su valor original, aprovechando el efecto sinérgico electrostático-estérico.
