Pour réduire les forces de van der Waals entre les poudres, les dispersants à encombrement stérique (tels que les polymères ou les copolymères greffés) sont la solution la plus efficace. Ils affaiblissent directement l'attraction intermoléculaire en formant une barrière physique à la surface des particules. Le choix précis dépend du milieu de dispersion (eau ou solvant organique) et des caractéristiques de la poudre.
I. Systèmes non aqueux : Les dispersants à encombrement stérique sont préférés.
Dans les solvants organiques ou les milieux non polaires, les dispersants à base de polyéthylène glycol (PEG) ou de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) peuvent former une couche de revêtement rigide à la surface des particules grâce à leurs longues chaînes moléculaires. Lorsque la distance interparticulaire est inférieure à deux fois l'épaisseur de la couche de revêtement (2δ), ces chaînes polymères génèrent une forte répulsion stérique, avec une barrière énergétique supérieure à 25 kT (k étant la constante de Boltzmann et T la température absolue), suffisante pour contrebalancer l'attraction de van der Waals.
Par exemple, dans l'industrie des revêtements, l'ajout de BYK-110 (un polyacrylate modifié) permet de réduire la viscosité des dispersions de dioxyde de titane de 40 %. Ceci est dû à la couche protectrice tridimensionnelle formée par ses chaînes moléculaires à la surface des particules, comprimant la distance d'interaction des forces de van der Waals de 10 nm à moins de 3 nm.
II. Systèmes aqueux : Effets synergiques de l'électrostatique et des contraintes stériques
En milieu aqueux, les dispersants anioniques (par exemple le citrate de sodium, le polycarboxylate) affaiblissent les forces de van der Waals par un double mécanisme : leurs groupes polaires (par exemple -COO⁻) s'adsorbent sur la surface des particules, formant une double couche chargée et générant une répulsion électrostatique ; en même temps, des segments non polaires (par exemple des chaînes carbonées) font saillie dans l'eau, créant un encombrement stérique.
Prenons l'exemple des nanoparticules de phosphate de calcium : l'ajout de citrate de sodium abaisse le potentiel zêta de leur surface de -15 mV à -45 mV, triplant ainsi la force de répulsion électrostatique. De plus, les groupes hydroxyle du citrate forment des liaisons hydrogène avec la surface des particules, ce qui amplifie l'encombrement stérique et réduit finalement la taille des agrégats de 500 nm à 80 nm.
III. Scénarios extrêmes : Dispersion assistée par poudre ultrafine
Pour les particules de type Geldart A à surface lisse (par exemple, les catalyseurs industriels), l'ajout de poudres ultrafines de taille inférieure à 2 μm (par exemple, la nano-silice) peut réduire les forces de van der Waals par rugosification de surface. Ces particules ultrafines se fixent à la surface des particules principales, créant des espaces physiques et augmentant ainsi la distance entre les particules, auparavant très proches les unes des autres.
Selon le rapport, seule l'incorporation de 0,015 % en poids de poudre ultrafine permet d'améliorer les performances de fluidisation du lit catalytique, d'éviter la formation de canaux et de stase, et de maintenir cet effet pendant plusieurs centaines d'heures.
IV. Guide de comparaison et de sélection des performances des dispersants
| Types de dispersants | Mécanisme d'action fondamental | Scénarios applicables | Avantages | Effet d'inhibition de la force de Van der Waals |
| Polymères stéréoédriques | Les longues chaînes moléculaires forment une barrière physique | Systèmes de solvants organiques, suspensions à haute teneur en matières solides | Insensible aux électrolytes, très polyvalent | Excellent |
| Composite électrostatique-stéréoédrique | Répulsion électrostatique + barrière physique | Systèmes aqueux, dispersion de particules inorganiques/organiques, effet synergique | Bonne stabilité de dispersion | Excellent |
| Polyélectrolytes (par exemple, citrate de sodium) | Principalement basée sur la répulsion électrostatique | Systèmes aqueux, environnements à faible force ionique | Haute efficacité de dispersion, faible coût | Bien |
| Additifs à particules ultrafines | Espacement physique et rugosité de surface | Traitement des poudres sèches, procédés en lit fluidisé | Aucune pollution chimique, résistance aux hautes températures | Modéré |
En pratique, il est important de veiller à ce que la concentration du dispersant dépasse la concentration micellaire critique (CMC). Par exemple, la quantité optimale de polycarboxylate à ajouter à la pâte de ciment représente 0,5 à 1,0 % de la masse de poudre. À ce stade, les chaînes moléculaires sont complètement étendues, ce qui maximise l'effet d'encombrement stérique. De plus, pour les systèmes de poudres multicomposants, l'utilisation conjointe de deux dispersants (comme le citrate de sodium et le PEG) permet de réduire davantage les forces de van der Waals à moins d'un cinquième de leur valeur initiale, grâce à l'effet synergique électrostatique et stérique.
