纳米粉体的分散.ppt

纳米粉体的分散 纳米颗粒由于粒径小 表面原子比例大 比表面大 表面能大 处于能量不稳定状态 因此很容易团聚导致颗粒增大 纳米粉体为何需要分散 团聚机理 团聚 硬团聚 在强的作用力 化学键力 下使颗粒团聚在一起 不能用机械的方法分开 软团聚 一种由颗粒间静电引力和范德华力作用引起的聚集 可以用机械的办法分开 引起纳米粉体产生团聚的原因 1 材料在纳米化过程中 在新生的纳米粒子的表面积累了大量的正电荷或负电荷 这些带电粒子极不稳定 为了趋向稳定 它们互相吸引 使颗粒团聚 此过程的主要作用力是静电库仑力 2 材料在纳米化过程中 吸收了大量机械能或热能 从而使新生的纳米颗粒表面具有相当高的表面能 粒子为了降低表面能 往往通过相互聚集而达到稳定状态 因而引起粒子团聚 3 当材料纳米化至一定粒径以下时 颗粒之间的距离极短 颗粒之间的范德华力远远大于颗粒自身的重力 颗粒往往互相吸引团聚 4 由于纳米粒子表面的氢键 吸附湿桥及其他的化学键作用 也易导致粒子之间的互相黏附聚集 防止团聚的措施 分散 对于软团聚 可以通过搅拌的方式减少颗粒长大 强烈的搅拌可以把较大晶核打碎形成多个细小晶核 使成核速率大于晶核长大速率 从而形成较细小的颗粒加表面活性剂 有机溶剂洗涤 共沸蒸馏 冷冻干燥等几种方法 主要是除去凝胶中自由水以及表面羟基的措施 对于硬团聚的防止比较有效 介质分散 选择分散介质的基本原则是 非极性颗粒易于在非极性液体 介质 中分散 极性颗粒易于在极性液体中分散 非极性介质 苯 甲苯 氯仿 极性介质 水 乙醇 乙二醇 机械搅拌分散 借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中 在机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应 形成有机化合物枝链或保护层 使纳米粒子更易分散 但搅拌会造成溶液飞溅 反应物损失 机械搅拌分散有球磨法 超声分散法等 超声分散法 利用超声空化时产生的局部高温 高压或强冲击波和微射流等 弱化纳米粒子间的纳米作用能 可有效地防止纳米粒子的团聚 超声波分散仪 超生分散法不适用于乳液分散或有磁性的超微颗粒 分散剂分散 加入反絮凝剂形成双电层 选择适当的电解质作分散剂 使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层 通过双电层之间的库仑排斥作用使纳米粒子分散 例如 用盐酸处理纳米Al2O3后 在纳米Al2O3粒子表面生成三氯化铝 AlCl3 三氯化铝水解生成AlCl2 和AlCl2 犹如纳米Al2O3粒子表面吸附了一层AlCl2 和AlCl2 使纳米Al2O3成为一个带正电荷的胶粒 然后胶粒吸附OH 而形成一个庞大的胶团 如图1所示 加表 界 面活性剂包裹微粒 加入适当的表面活性剂 使其吸附在粒子表面 形成微胞 由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力 使得粒子间不能接触 从而防止团聚体的产生 然而 分散剂添加时间的不同使保护效果不同 在反应前先将分散剂分散在溶液中的效果最好 随着分散剂添加量的增加 粒子的粒径变小 由于纳米颗粒度很小 比表面积很大 在浓度大时易发生聚集长大 从而降低了分散效果 此外分散剂粘度较大时 其保护作用明显 而且由于粘度大而使颗粒不易聚沉 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好 不能超过它的临界胶束浓度 浓度太高 活性剂分子之间发生缔合 形成了胶束 不能在凝胶粒子表面实现包裹 或者根本没有吸附在胶粒表面上 因此无法分散 浓度太低 无法起到完全分散作用 表面活性剂的活性还与溶液的pH值有关 不同的活性剂要求的酸碱度不同 表面活性剂在固 液界面上的吸附方式 离子交换吸附离子对吸附氢键形成吸附 电子成键吸附色散力 诱导力 静电力 憎水键 的作用 化学改性分散 利用有机物分子中的官能团与纳米粒子表面基团进行化学反应 将聚合物接枝到纳米粒子表面 或利用可聚合的有机小分子在纳米粒子表面的活性点上的聚合反应 在纳米粒子表面构成聚合物层 从而达到表面改性 表面化学改性一般在高速加热混合机或捏合机 流态化床 研磨机等设备中进行 影响化学改性的主要因素有 颗粒的表面性质 如表面官能团的类型 表面酸碱性 水分含量 比表面积等 表面改性剂的种类 用量及方法 工艺设备及操作条件 如设备性能 物料的运动状态或机械对物料的作用方式 反应温度和反应时间等 其他防止团聚体产生的措施 有机溶剂洗涤有机屋的表面张力小