[科普中国]-表面力

基本概念

表面力是作用在所研究流体外表面上与表面积大小成正比的力，也就是周围流体作用于分离体表面上的力。表面力与流体的表面积成正比。作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者为压力，后者为剪力（切力）。静止流体只受到压力的作用，而流动流体则同时受到两类表面力的作用。

分类表面力可以分为沿表面内法向的法向分力和沿着表面切向的摩擦力。单位面积上的法向力称为正应力，单位面积上的切向力就是流体粘性引起的切应力。无论流体处于静止还是运动状态，法向力始终存在，并且根据流体性质只能是压力。流体黏性所引起的内摩擦力就是切向力，静止（或者相对静止）流体以及处于运动的理想流体都不存在内摩擦力，因而切向力为零。1

表面力与微细粒矿物分选研究现状及展望矿物分选体系中，分选区内矿粒所受的作用力很多，如重力、磁力、浮力、离心力、压力梯度力、流体绕流阻力、虚假作用力、矿粒间的范德华力、矿粒间的结构力、矿粒间的疏水作用力、表面张力等。按本质，这些力可以分为两类：质量力和表面力。前者与质量有关，后者存在于分子、原子或分子（原子）集合体之间，与颗粒表面有关，包括矿粒间的范德华力、结构力、疏水力、表面张力等，作用范围一般不超过100nm。因此，当矿粒细至亚微米级时，表面力的作用占主导地位；当矿粒粒度大于10μm 时，质量力占主导地位；而对微米级矿粒，表面力与质量力并存。总之，表面力对微细粒矿物（通常指小于10μm或20μm）分选具有重要意义。这不仅表现在以表面力为基础的浮选、聚团分选及微粒和超细粒的过滤，对其它方法，如重选和磁选也是如此。2

就一般浮选而言，矿粒与气泡的碰撞和附着过程中，表面力起着重要作用。随着矿粒与气泡间距逐渐减小，当其间距达到100nm以内时，各种表面力开始发生作用，这些力是范德华力、双电层作用力、疏水作用力及结构力。

当亲水矿粒与气泡作用时，范德华力、双电层作用力及结构力起作用，在大多数情况下，三者均表现为斥力。当疏水矿粒与气泡作用时，范德华力、双电层作用力及疏水作用力起作用，前二者表现为斥力，而疏水作用力是疏水矿粒在水中产生的一种很强的吸引力，作用距离为10nm，其数值通常比范德华力或双层静电力大一到二个数量级，故疏水作用力是疏水矿粒与气泡作用的关键力。2

微细粒矿物的主要特征是比表面积大，质量小。物理特性不显著，不可能用物理方法分选，甚至浮选方法也难以奏效。微细粒矿粒由分散状态团聚以减少表面自由能是热力学自发过程，互凝是极普遍的现象。但是，微粒矿物的互凝必然影响矿物分选过程，降低甚至破坏分选的选择性。因此，就微细粒矿物的有效分选而言，对抗互凝使矿粒处于最佳分散状态是微细粒分选成功的必要前提，解决好二者的矛盾便是实现微细粒矿物分选的有效途径。这些途径包括：（1）选择性团聚浮选法。其中高分子絮凝和疏水性团聚浮选是微细粒矿物回收的有效途径之一，其实质是利用矿粒间的（固相-固相）表面力的差异分选的过程；（2）传统工艺（重选、磁选）与界面分选相结合的磁种团聚-选择性絮凝-重迭法；磁选与界面分选相结合的选择性磁罩盖-磁选分离新工艺都是利用矿物表面性质（力）实现微细粒物料有效分选的例证。此外，选择合适的力场（含复合力场）和工艺条件（如添加药剂的化学作用强化分选，适宜的矿浆pH值）也可以实现微细粒矿物的有效分离。2