第三章_纳米颗粒的表面修饰与改性
纳米微粒的表面修饰
改性方法：
配制一定浓度的十二烷基硫酸钠(A. R. ) 溶液, 将一定量的 氧化铈粉末加入溶液中, 在25 ℃下用电动搅拌器搅拌1 h , 过滤, 滤饼在干燥箱中干燥2 h , 取出用气流粉碎机粉碎, 过160 目筛即得到改性的纳米氧化铈。
改性机理：
表面活性剂不仅可吸附在颗粒的表面上, 而且还可渗入到 微缝隙中并能向深处扩展, 如同在缝隙中打入一个“楔子”, 起到劈裂的作用。 当水为介质时, 十二烷基硫酸钠是阴粒子表面活性剂, 表面 带负电荷, 它可通过范德瓦尔斯力吸附于固体颗粒缝隙的表 面,使缝隙表面因带同种电荷产生排斥力。 渗透压的作用使团聚强度降低。
干燥２４ｈ。
高聚物：优良的力学性能和成膜性
陶瓷材料：良好的电性能 将具有压电性能的陶瓷与聚合物复合,所得材料可以克服陶
将填料充分
将偶联剂与其低沸点
•
干法即喷雾法
湿法称溶液法
直接加入法是将所有配合剂和树脂一起混合 （控制料温低于偶联剂的分解温度）
偶联修饰方法 纳米氧化铝具有高硬度、高强度、热稳定性好、 在乙醇溶剂中加入偶联剂，将２ｇ纳米Ａ２Ｏ３加入到水解偶联剂溶液中， 耐磨蚀等一系列特性，被用作橡胶、树脂等有 机材料的改性填料。 水浴加热至一定温度，反应一定时间后过滤，用甲苯洗涤，于６０℃真空
下表为硅偶联剂在各种无机纳米粒子表面化学结合 程度的评价．很清楚硅偶联剂对羟基含量少的碳酸
钙、碳黑、石墨和硼化物陶瓷材料不适用．
表5．6列出一些有代表性的硅偶联剂及与其 相溶的聚合物．
溶剂配制成一定浓度 脱水后在高速 的溶液,然后在一定温 分散机中,于 度下与无机填料在高 处理技术 一定温度下与 速分散机中均匀分散, 雾气状的偶联 从而达到填料的表面 • 硅烷偶联剂的实际使用方法主要有两种:预 剂反应制成活 改性. 性填料; 处理法（干法和湿法）和直接加入法；
纳米颗粒的表面修饰与改性
(3) 增加粒子间的位阻，选用吸附力强的聚合物和聚合物亲 和力大的分散介质，增大排斥能，降低吸பைடு நூலகம்能。
最有效、最关键的一点是选择合适的分散剂以及合适的工艺方法与设备，使纳米 粒子与分散剂充分混合以达到真正的分散
• 为什么要对纳米微粒进行表面修饰
纳米微粒表面改性后，由于表面性质发生了变化，其吸附、 润湿、分散等一系列性质都将发生变化。
通过改性，可以达到： 改善或改变纳米粒子的分散性 提高微粒表面活性 使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能 改善纳米粒子与其它物质之间的相容性
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
• 什么是表面修饰
• 怎样对纳米微粒进行表面修饰 纳米微粒表面物理修饰 纳米微粒表面化学修饰
2 纳米微粒表面物理修饰
• 表面物理修饰：通过吸附、涂敷、包覆等 物理作用对微粒进行表面改性，利用紫外 线、等离子射线等对粒子进行表面改性也 属于物理修饰。
• 表面物理修饰主要有以下两种方法。
2.1 通过范德瓦尔斯力等特异质材料吸附在 纳米微粒的表面
无机纳米材料的表面改性比较简便的方法是用一种改性剂来实现
: 偶联剂：价格昂贵, 不适合作为橡胶助剂大规模生产应用的要求, 表面活性剂：价格便宜,生产量大, 品种多, 易获得, 可以获得性能 好、价格适宜的改性粉体产品。
改性方法：
配制一定浓度的十二烷基硫酸钠(A. R. ) 溶液, 将一定量的 氧化铈粉末加入溶液中, 在25 ℃下用电动搅拌器搅拌1 h , 过滤, 滤饼在干燥箱中干燥2 h , 取出用气流粉碎机粉碎, 过160 目筛即得到改性的纳米氧化铈。
化学合成纳米颗粒的表面修饰
化学合成纳米颗粒的表面修饰纳米颗粒是一种具有十分广泛应用前景的材料。
它的尺寸可以控制在1~100纳米范围内，具有很高的比表面积以及特殊的光学、电学、磁学、力学等性质。
这些优异的特性为纳米颗粒在生物医学、纳米电子、纳米催化等领域的应用提供了巨大的可能性。
然而，随着纳米颗粒市场的不断壮大，其在环境下的行为和生物毒性等问题也越来越受到关注。
为了克服这一问题，化学合成纳米颗粒的表面修饰成为了一个极为重要的研究方向。
本文将对化学合成纳米颗粒的表面修饰进行探讨。
一、纳米颗粒的表面修饰意义纳米颗粒的表面修饰是指通过在纳米颗粒表面引入化学修饰基团、聚合物等物质，以实现纳米颗粒的稳定化、生物相容性、药物载体等目的。
合适的表面修饰还可以帮助纳米颗粒与特定的受体分子结合，实现生物分子识别、细胞定位和药物递送等功能。
二、纳米颗粒的表面修饰方法纳米颗粒的表面修饰方法可以分为两大类：静电吸附和共价结合。
静电吸附是指在纳米颗粒表面引入带电修饰物质，利用静电作用将修饰物质吸附在纳米颗粒表面。
共价结合则是指通过尾链化学反应将修饰分子共价地结合在纳米颗粒表面。
两大类表面修饰方法的优缺点如下：* 静电吸附：简单易行，对原始纳米颗粒的影响小；但是，吸附的分子易被溶液中负离子竞争排斥，导致纳米颗粒表面修饰不稳定，容易被生物体内内环境所破坏。
* 共价结合：修饰分子紧密结合在纳米颗粒表面上，稳定性更佳；但是，由于共价结合需要尾链反应，对纳米颗粒的影响较大，因此在合成过程中需特别注意避免纳米颗粒的聚集。
三、纳米颗粒的表面修饰材料1. 寡聚乙二醇（PEG）寡聚乙二醇是目前最常用的表面修饰材料之一。
PEG分子一般较长，分子量在5000以下的为寡聚乙二醇，具有良好的生物相容性和水溶性，可有效防止纳米颗粒因生物体液体中蛋白质、糖类等物质的吸附而导致的聚集。
PEG修饰后的纳米颗粒在血液中的循环时间更长，有助于提高其生物利用度。
2. 聚丙烯酰胺（PAAm）聚丙烯酰胺具有优异的生物相容性和组织相容性，且可调控其分子的亲水疏水特性。
纳米材料的表面修饰和功能化方法
纳米材料的表面修饰和功能化方法随着纳米材料在各个领域的应用不断拓展，对纳米材料的表面修饰和功能化方法的需求也越来越迫切。
纳米材料的表面修饰和功能化可以赋予其特定的性能和功能，从而扩大其应用范围。
在本文中，将介绍纳米材料表面修饰和功能化的一些常用方法。
一、化学修饰方法1. 化学还原法：通过添加还原剂，如氨或亚偏磷酸钠等，在纳米材料表面形成一层金属或合金的修饰层。
这种方法可以改变纳米材料的表面性质，如电导性、稳定性等。
2. 化学键合法：通过纳米材料表面的官能团与化合物之间发生化学键合反应，将功能分子固定在纳米材料表面。
例如，利用硫化银纳米颗粒表面的硫原子与巯基化合物发生反应，将荧光染料固定在银纳米颗粒表面。
3. 化学沉积法：通过化学反应，在纳米材料表面沉积一层具有特定功能的材料。
例如，利用化学还原法在纳米颗粒表面沉积一层金属或合金的修饰层，从而增加其机械强度和稳定性。
二、物理修饰方法1. 等离子体修饰法：利用等离子体技术对纳米材料表面进行修饰。
等离子体修饰可以改变纳米材料的表面形貌和性质。
例如，利用等离子体辐照法可以在纳米材料表面形成纳米阵列，从而增加纳米材料的比表面积。
2. 溅射法：通过溅射技术，在纳米材料表面沉积一层具有特定功能的材料。
溅射法可以在纳米材料表面形成薄膜或纳米颗粒。
例如，利用磁控溅射技术在纳米材料表面沉积一层金属薄膜，从而增加纳米材料的导电性。
3. 热处理法：通过控制纳米材料的热处理条件，改变其表面形貌和晶体结构，从而实现表面修饰和功能化。
例如，通过高温处理可以使纳米材料表面形成一层氧化物薄膜，从而增加其化学稳定性和耐热性。
三、生物修饰方法1. 生物功能分子修饰法：利用生物功能分子（如蛋白质、酶等）与纳米材料表面发生特异性结合，实现表面修饰和功能化。
例如，通过将抗体固定在纳米材料表面，可以实现纳米材料的特异性识别和生物传感功能。
2. 生物矿化法：利用生物矿化过程，在纳米材料表面沉积一层具有特定功能的无机材料。
纳米微粒的表面改性
每个样品中都有 Si-OSi 在 1100cm-1 吸收峰； SiO2-g-POEM 中 1739 ， 1369 处峰吸收 峰强度明显增加，说 明 接 枝 POEM 后 C=O 和甲基含量增加； SiO2-g-PSSA 纳 米 颗 粒 在 苯 环 吸 收 带 1450—1500 只有弱的 吸收峰，可以看到在 1180 ， 1074 ， 948 波 段磺酸基的伸缩振动 峰。
O HO SiO2 OH Cl DMAP TEA MC 0℃ RT 18h Cl CH3 O Cl
+
SiO2 H3C
CH3
（3）Polymer grafting-from nanoparticles: synthesis of SiO2-g-POEM or SiO2-g-PSSA
O Cl
SiO2 H3C
纳米微粒的表面修饰方法
纳米效应使得纳米材料在磁、光、电等方面呈现出 许多传统常规材料不具备的特性，由无机纳米材料 与有机聚合物复合而成的纳米复合材料具有其他材 料所不具备的一些性能，主要表现如下：
1. 同步增强增韧效应 2. 强度大、模量高 3. 阻隔性能 4. 新品功能高分子材料
纳米材料在改善聚合物性能应用中具有很好的前景， 用于聚合物增强增韧时必须具有良好的分散性和相容 性才能与基体有较好的界面结合，以便传递应力；纳 米粒子粒径小，比表面积大，表面能高，易于团聚， 团聚后的粒子难以发挥其特点，还可能产生纳米微粒 在聚合物中的偏聚现象，反而导致材料力学性能下降， 因而需要对纳米粒子进行表面处理，改善其相容性， 防止团聚。
纳米微粒的表面修饰改性
纳米微粒的表面修饰就是用物理、化学方法改 变纳米微粒表面的结构和状态，实现人们对纳米微 粒表面的控制。 对纳米微粒表面的修饰的目的和作用 （1）改善或改变纳米粒子的分散性，防止团聚； （2）提高微粒表面活性； （3）使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能 及新的功能； （4）改善纳米粒子与其它物质之间的相容性
纳米粒子的表面修饰与功能化研究
纳米粒子的表面修饰与功能化研究纳米粒子，是由数百至数千个原子组成的微型颗粒，具有小尺寸、高比表面积、独特的光学、电学、磁学等性质。
在材料科学、生物医学、环境工程等领域有着广泛的应用，如制备催化剂、生物传感器、智能药物等，但是表面修饰和功能化研究是纳米粒子应用中最为重要的研究方向之一。
一. 纳米粒子表面修饰方法纳米粒子表面修饰是将化学、物理或生物学方法作用于纳米颗粒表面，使其具有特定的表面形态、化学组成和表面电荷等特性。
1. 化学修饰法化学修饰法主要包括原位修饰、后基修饰和配体交换修饰三种。
原位修饰是将功能基固定在粒子生成的过程中，以控制粒子表面化学性质和形态结构。
后基修饰是将粒子先制备好，然后进行表面修饰化学反应。
配体交换修饰是通过抑制表面原有配体的离解，而用新的配体更换原有配体。
2. 物理修饰法物理修饰法主要包括微乳液化学途径和自组装途径。
微乳液化学途径是通过油相中的乳化剂构筑纳米粒子表面化学结构，形成粒子稳定的把势场。
自组装途径是通过物理原理控制粒子的自组装，从而使粒子表面具有所需的物理、化学和生物学特性。
3. 生物修饰法生物修饰法是将生物分子定向固定在粒子表面，通过细胞膜表面接触或膜蛋白的定向结合，发挥其传感、药物递送、诊断、免疫分析等应用，具有高特异性和低毒副作用等优点。
二. 纳米粒子功能化方法纳米粒子的功能化是在表面修饰的基础上，进一步实现对纳米粒子的目标特性进行调控的过程，如具有特定的光学、生物学、磁学等特性，发挥其催化、诊断、治疗等应用。
现有的方法主要有以下几种。
1. 药物功能化药物功能化是通过修饰纳米粒子表面来实现药物的可控释放、靶向治疗、增强生物利用度等功能，已成为纳米医学领域中的研究热点之一。
药物功能化主要包括物理吸附、电化学沉积、原位化学反应等方法。
2. 传感功能化传感功能化是通过将传感分子锚定在纳米粒子上，实现对外部环境的检测和识别，可广泛应用于食品卫生、环境监测、疾病诊断等领域。
纳米材料的表面修饰和改性
纳米材料的表面修饰和改性随着科技的不断进步和发展，纳米材料在各个领域中得到了广泛的应用。
纳米材料的小尺寸、高比表面积和独特的物理、化学性质使得它们在生物医学、电子工程、能源、化学和环境等领域中拥有广泛的应用前景。
其中，纳米材料的表面修饰和改性是影响其物理、化学和生物性能的关键因素之一。
纳米材料的表面修饰是指在纳米材料表面引入特定的功能分子或化学基团，以改变其表面化学性质和形貌的过程。
通过表面修饰，可以实现纳米材料在不同领域中的特定应用，例如：在生物领域中，可以通过表面修饰实现靶向治疗和药物释放；在电子领域中，可以通过表面修饰实现导电性能和电子传输的优化。
纳米材料的表面修饰主要包括物理方法和化学方法两种。
物理方法包括离子束辐照、等离子体处理、溅射、蒸镀和自组装等，这些方法实现表面修饰的过程中不需要涉及化学反应。
化学方法则包括物理吸附、共价键接和离子交换等，这些方法需要涉及化学反应才能实现表面修饰。
物理方法中，离子束辐照是一种常用的表面修饰方法，通过用不同的离子束辐照纳米材料表面，可以实现对表面化学性质的改变。
例如，硝酸纤维素通过氧离子束辐照可以实现表面羧基的引入，从而实现其在药物释放方面的应用。
另外，等离子体处理也是一种常见的表面修饰方法，在等离子体处理过程中，通过将纳米材料放置在等离子体中，可以实现表面化学活性基团的引入和表面的清洁。
化学方法中，物理吸附是一种简单、易于实现的表面修饰方法。
物理吸附法是指将分子或离子吸附在纳米材料表面，利用分子或离子之间的静电吸引力实现修饰。
共价键接是一种将分子或离子与纳米材料表面共价键连接的方法，常用的共价键接反应包括硫醇和纳米金表面的反应、芳香酮和纳米二氧化硅表面的反应等。
此外，离子交换是一种将纳米材料表面原子或分子与溶液中的离子进行交换的方法。
离子交换的方法可以实现对表面电性质的调控，从而可以将其用于电子电器或催化反应等领域。
离子交换的方法还可以实现对分子或离子在表面的吸附，从而实现表面功能化。
纳米材料的表面修饰与应用
纳米材料的表面修饰与应用随着科技的发展，纳米材料的应用越来越广泛，而且产业化进程不断加快。
纳米材料作为一种新型的材料，具有比传统材料更高的比表面积、更短的扩散距离等性质，因此更容易与外界进行相互作用。
表面修饰可以改变纳米材料的表面化学性质，从而改变其物理化学性质，扩展其应用范围。
本文将讨论纳米材料表面修饰的原理、方法以及应用。
一、纳米材料表面修饰的原理纳米材料的表面修饰主要是为了改变其表面化学性质。
纳米材料的表面具有较大的活性，表面分子与外界反应的速率很快，因此，它们的表面性质对纳米材料的物理化学性质和应用有很大的影响。
表面修饰的基本原理是：通过化学修饰实现对纳米材料表面性质的改变，以满足纳米材料在化学、生物、电子、能源等领域的应用需求。
具体来说，纳米材料的表面修饰可以改变其电荷状态、疏水性、亲水性、功能团的组合和数量等，从而调节其表面反应性质、光学性质和磁学性质等，提高其应用性能。
例如，通过在纳米材料表面引入亲水性或疏水性分子，可以调节其润湿性、分散性和溶解度，从而提高其材料的稳定性和防止聚集现象。
同样，改变纳米材料表面的功能团的组合和数量，可以改变其表面反应性质，如催化活性、生物兼容性等等。
二、纳米材料表面修饰的方法纳米材料表面修饰的方法主要包括物理方法和化学方法两种。
物理方法主要是通过吸附、吸附剂多层覆盖、包覆等方式对纳米材料表面进行修饰，达到改变其表面性质的目的。
这种方式的优点是简单快捷，不需要使用化学试剂，对材料的纯度要求不高。
常见的物理方法有：1.吸附法吸附法是在纳米材料表面吸附上一些小分子，如空气、水蒸气、有机静电荷、多肽等，以改变纳米材料表面的性质。
例如，将纳米材料表面吸附上疏水性的有机物，可以使纳米材料表面疏水性增强，达到一定的分散效果。
2.吸附剂多层覆盖法吸附剂多层覆盖法是通过在纳米材料表面吸附上带有不同表面功能的吸附剂，形成覆盖层，使表面具有新的性质。
这种方法可以使纳米材料表面拥有新的官能团和不同的表面电荷状态，提高其生物活性和生物分散性。
第三章 纳米颗粒的表面修饰与改性
TMA-POSS:anionic octa(tetramethylammonium)polyhedral oligomeric silsesquioxane
表面改性剂的种类
（1）偶联剂 种类：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、 种类：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆铝酸盐及络合物 作用：无机填料与有机高聚物分子之间的“分子桥” 作用：无机填料与有机高聚物分子之间的“分子桥”，抑制 填料体系“ 分离， 填料体系“相”分离，增大填充量 （2）表面活性剂 ） 阴离子： 阴离子：十二烷基苯磺酸钠 阳离子： 阳离子：胺盐类 非离子： 非离子：脂肪醇聚氧乙烯醚 两性： 两性：氧化胺 （3）有机聚合物 ） 聚丙烯蜡、 聚丙烯蜡、聚乙烯蜡
Si
KH570(A174)
OCH3 OCH3 (CH2)3 Si OCH3
KH560(A187)
OCH3
OC2H5 H2 N (CH2)3 Si OC2H5
KH550(A1100)
OC2H5
化学修饰及改性方法
非水分散型的染料溶在环己烷中 制备微乳液,然后液滴用 然后液滴用SiO2包覆 制备微乳液 然后液滴用 最后硅烷偶联剂改性
第三章:纳米颗粒的表面修饰 第三章 纳米颗粒的表面修饰 与改性
2009.10.29
纳米颗粒的表面修饰与改性
表面工程:用物理、化学方法对粒子表面进行处理, 表面工程:用物理、化学方法对粒子表面进行处理,有目的 地改变粒子表面的物理化学性质, 地改变粒子表面的物理化学性质,如表面原子层结构和 官能团,表面疏水亲水性,电性和反应特性等, 官能团,表面疏水亲水性,电性和反应特性等,实现人们 对纳米微粒表面的控制. 对纳米微粒表面的控制. 表面修饰与改性目的： 表面修饰与改性目的： 改善或改变纳米粒子的分散性 提高微粒表面活性 使微粒表面产生新的物理、化学、 使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能 改善纳米粒子与其它物质之间的相容性
纳米材料的表面精密修饰与改性方法
纳米材料的表面精密修饰与改性方法概述：纳米材料是一种粒径在纳米尺寸范围内的材料，具有较大的比表面积和尺寸效应。
由于表面对材料性能具有重要影响，因此对纳米材料进行表面精密修饰和改性是提高其性能和应用的关键。
本文将介绍纳米材料的表面精密修饰方法和改性方法。
一、表面精密修饰方法：1. 化学修饰法：通过化学方法在纳米材料的表面引入新的官能团，改变纳米材料的表面性质。
常用的化学修饰方法包括溶液法、沉积法和键合法。
溶液法将纳米材料浸泡在含有修饰剂的溶液中，通过化学反应将修饰剂与纳米材料表面发生反应；沉积法通过溶液中的化学反应，在纳米材料表面生长一层新的材料；键合法利用纳米材料表面的化学键与修饰剂发生键合反应。
2. 物理修饰法：利用物理方法改变纳米材料的表面形貌和结构。
例如，利用高能电子束、离子束或激光束照射纳米材料，可以在表面形成纳米结构或纳米颗粒，增加纳米材料的比表面积和活性。
热处理方法通过加热纳米材料，在表面驱动扩散作用，实现表面形貌和结构的改变。
3. 生物修饰法：利用生物方法改变纳米材料的表面性质。
例如，利用生物分子的特异性识别与配位能力，将特定的生物分子修饰在纳米材料的表面，实现表面性质的改变。
还可以利用生物合成法，通过生物体自身合成纳米材料，并在表面修饰生物分子。
二、改性方法：1. 表面功能化：在纳米材料表面引入功能性官能团，赋予纳米材料新的性质和功能。
例如，通过在纳米材料表面修饰亲水官能团，提高纳米材料的亲水性和分散性；通过在纳米材料表面引入疏水官能团，提高纳米材料的疏水性；通过在纳米材料表面修饰光敏官能团，实现光控制功能等。
2. 表面包覆：在纳米材料表面形成一层覆盖物，保护纳米材料，改善其稳定性和可控性。
常用的表面包覆方法包括沉积法、自组装法和模板法。
沉积法通过溶液中的化学反应，在纳米材料表面沉积一层新的材料；自组装法利用表面活性剂或聚合物分子在纳米材料表面自组装形成覆盖层；模板法通过在纳米材料表面形成模板，然后通过沉积或聚合形成覆盖层。
纳米颗粒的表面改性与应用研究
纳米颗粒的表面改性与应用研究纳米颗粒是一种具有特定功能和性质的微米级颗粒，其尺寸在10-100纳米之间。
由于其所具有的巨大比表面积、较高光学、电学等特性，纳米颗粒在材料科学、生物医学、能源储存等领域的应用研究备受关注。
而纳米颗粒的表面改性则成为开发其应用潜力的重要一环。
表面改性技术可以通过在纳米颗粒表面引入功能性基团或涂层来调控其表面性能。
这种改性可以改善纳米颗粒的稳定性、生物相容性、光学性能等，从而使其更好地适用于不同的应用领域。
在材料科学领域，纳米颗粒的表面改性可以增强材料的力学强度和化学稳定性。
例如，研究人员可以在纳米颗粒表面修饰金属离子或有机小分子，以提高金属纳米颗粒的耐腐蚀性和机械强度。
这种表面改性可以应用于航空、汽车等领域，提高材料的性能和使用寿命。
在生物医学应用中，纳米颗粒的表面改性对于药物传递和生物成像有着重要作用。
通过改变纳米颗粒表面的化学功能团，可以实现药物的高效传递和释放。
例如，多肽修饰的纳米颗粒可以在肿瘤细胞表面识别特定受体，并实现靶向治疗。
同时，对纳米颗粒表面进行修饰还可以实现磁共振成像、荧光成像等用于诊断的性能。
此外，纳米颗粒的表面改性还可以用于催化和能源储存领域。
在催化反应中，纳米颗粒表面的功能基团可以提供吸附能力，增强催化剂的反应活性。
同时，通过合适的表面改性控制纳米颗粒之间的相互作用，可以改变催化剂的选择性和稳定性。
在能源储存方面，如锂离子电池、超级电容器等，纳米颗粒的表面改性可以提高电极材料的充放电性能和循环寿命。
然而，纳米颗粒的表面改性也面临着一些挑战。
首先，纳米颗粒的表面修饰需要具备高度的精确性和可控性。
其次，大规模生产纳米颗粒的表面改性材料也需要经济可行和可持续发展。
此外，对于生物医学应用，纳米颗粒的表面改性必须保证其生物相容性和长期稳定性。
因此，纳米颗粒的表面改性与应用研究是一个复杂而有挑战性的领域。
需要跨学科的合作与创新，探索更高效、精确的表面改性方法，同时兼顾其成本效益和环境友好性。
纳米颗粒的设计与功能化表面修饰研究
纳米颗粒的设计与功能化表面修饰研究随着纳米技术的发展，纳米颗粒逐渐成为一种重要的材料，在生物医学、材料科学以及环境科学等领域展现出巨大的潜力。
纳米颗粒的设计和功能化表面修饰是研究中的两个重要方面。
本文将探讨纳米颗粒的设计原则以及不同的表面修饰方法，并探索其应用前景。
首先，纳米颗粒的设计涉及到几个关键因素。
首先是尺寸和形状的控制。
纳米颗粒的尺寸在纳米级别，可以通过控制合成反应条件来实现。
而颗粒的形状则对其性能和应用产生重要影响。
通过调节合成方法和添加特定的模板剂，可以实现各种不同形状的颗粒，如球形、棒状、片状等。
其次，表面修饰是纳米颗粒功能化的关键环节。
通过在颗粒表面引入不同的化学官能团，可以实现对其性质和功能的调控，如荧光性能、稳定性、生物亲和性等。
例如，通过修饰金属纳米颗粒表面的配体分子可以增强其稳定性，同时也可以在生物体内实现靶向传递。
纳米颗粒的表面修饰方法多种多样。
一种常用的方法是通过化学合成在颗粒表面引入官能团。
这种方法简单易行，但需要选择适当的反应物和反应条件，以避免破坏颗粒结构和性质。
此外，也可以利用物理方法对纳米颗粒进行表面修饰，如热处理、离子辐照等。
这些方法虽然操作相对复杂，但可以实现对纳米颗粒的精确修饰。
纳米颗粒的设计与表面修饰在许多领域都展现出重要应用。
在生物医学领域，纳米颗粒可以用于药物传递、肿瘤治疗等。
通过适当的修饰，可以实现药物的载体功能，提高药物的传输效率和靶向性，同时减轻药物的副作用。
在材料科学领域，纳米颗粒可以用于制备新型材料，如纳米薄膜、纳米复合材料等。
通过表面修饰，可以控制材料的力学性能、光学性能等。
在环境科学领域，纳米颗粒被广泛应用于污染物的检测与治理中。
通过修饰颗粒表面，可以提高其对目标物质的识别性和吸附性能，从而实现对环境污染物的高效检测和去除。
然而，纳米颗粒的设计与功能化表面修饰仍然面临一些挑战。
首先，纳米颗粒的合成方法和表面修饰方法需要不断改进，以提高控制精度和稳定性。
纳米材料的表面修饰与功能化
纳米材料的表面修饰与功能化纳米材料的研究与应用在科学技术领域引起了广泛的兴趣和关注。
纳米材料的特殊性质和潜在应用使其成为科学家们研究的热点之一。
在纳米材料的研究中，表面修饰与功能化起着至关重要的作用。
本文将探讨纳米材料的表面修饰与功能化的意义、主要方法和应用。
1. 表面修饰与功能化的意义纳米材料的表面修饰与功能化是指在纳米材料的表面引入不同的化学基团、功能单元或其他物种，以改变其性质、增强其稳定性、改善其作用机制或添加特定的功能。
表面修饰与功能化可以为纳米材料赋予新的性能，提高其应用的可行性和效率。
通过表面修饰与功能化，纳米材料可以实现更精确的控制，使其在催化、传感、药物传递、能源存储等领域展示出突出的性能。
因此，表面修饰与功能化对于纳米材料的研究和应用具有重要的意义。
2. 表面修饰与功能化的主要方法在纳米材料的表面修饰与功能化中，主要采用的方法包括化学修饰、物理修饰和生物修饰等。
2.1 化学修饰化学修饰是利用化学反应在纳米材料表面引入化学基团或反应物种。
常见的化学修饰方法包括吸附、共价键合、静电吸附等。
通过这些方法可以在纳米材料表面形成特定的功能团或开放反应位点，从而实现纳米材料性质的调控和功能的添加。
2.2 物理修饰物理修饰是通过物理方法改变纳米材料表面的结构和性质。
物理修饰方法包括热处理、激光照射、等离子体修饰等。
通过这些方法可以改变纳米材料表面的形貌、结构和组分，从而改变其光学、电子、磁学等性质。
2.3 生物修饰生物修饰是利用生物体系或生物分子对纳米材料进行修饰。
例如，利用生物体系合成纳米颗粒，或利用生物分子在纳米材料表面进行修饰。
生物修饰方法具有高度的选择性和可控性，适用于制备具有特定功能的纳米材料。
3. 表面修饰与功能化的应用纳米材料的表面修饰与功能化在许多领域都有广泛的应用。
3.1 催化应用通过表面修饰与功能化，纳米催化剂可以获得更高的催化活性和选择性。
例如，通过在纳米催化剂表面引入特定的功能基团，可以提高其对目标反应物的吸附能力和催化活性，从而提高催化效率。
纳米材料表面改性手段优化方法总结
纳米材料表面改性手段优化方法总结纳米材料是一种具有特殊物理、化学和生物性质的材料，其表面性质对其性能起着至关重要的影响。
纳米材料表面改性是指通过改变纳米材料的表面结构和性质，从而优化其性能和应用。
在纳米材料的研究和应用中，表面改性手段是非常重要的一步。
本文将总结纳米材料表面改性的优化方法。
1. 化学修饰法化学修饰法是指通过在纳米材料表面引入特定的化学官能团，从而改变其表面性质。
例如，通过在纳米材料表面引入羟基、羧基等官能团，可以增强其亲水性和生物相容性。
此外，还可以通过共价键合或静电作用将功能性分子修饰到纳米材料表面，实现对纳米材料的物理性能和化学活性的调控。
2. 热处理方法热处理方法是指通过高温处理纳米材料，改变其晶体结构和表面形貌，从而优化其性能。
例如，通过控制热处理的温度和时间，可以使纳米材料发生结晶或退火过程，从而改善其晶体结构和力学性能。
此外，热处理还可以去除纳米材料表面的杂质和缺陷，提高其纯度和稳定性。
3. 离子辐射方法离子辐射方法是指通过离子束轰击纳米材料表面，改变其晶体结构和表面形貌，以及引入特定的官能团。
离子束的能量和剂量可以调控纳米材料的表面形貌和物理性质。
例如，通过辐射后的离子注入，可以使纳米材料形成超材料结构，从而获得特殊的电学、光学和磁学性质。
4. 表面等离子体表面等离子体是一种通过将纳米材料表面置于等离子体体系中，利用等离子体的化学反应和能量传输等物理效应来改变纳米材料表面性质的方法。
例如，利用等离子体辅助化学气相沉积方法可以在纳米材料表面形成纳米颗粒阵列，从而改善其光学性能和传感特性。
5. 生物功能化改性生物功能化改性是指通过将生物分子修饰在纳米材料表面，从而赋予其特定的生物活性和生物相容性。
例如，通过将纳米材料表面修饰生物肽、抗体等生物分子，可以使纳米材料在生物医学领域具有靶向性、药物缓释性以及生物传感性等功能。
总的来说，纳米材料表面改性的优化方法有多种多样。
化学修饰法可以通过改变纳米材料表面的官能团引入，来改变其性质。
纳米材料导论纳米微粒表面修饰
(1)偶联剂法
适用范围：无机纳米粒子与有机物进行复合
一般无机纳米粒子，如氧化物Al2O3，SiO2等， 表面能比较高，与表面能比较低的有机体的亲和 性差．两者在相互混合时不能相溶，导致界面上 出现空隙．
如果有机物是高聚物，空气中的水份进入上述空 隙就会引起界面处高聚物的降解、脆化。
解决上述问题可采取偶联技术，即 纳米粒子表面经偶联剂处理后可以 与有机物产生很好的相容性．
2.2 表面沉积法
原理：是将一种物质沉积到纳米微粒表面，形成与 颗粒表面无化学结合的异质包覆层。利用溶胶可以实 现对无机纳米粒子的包覆.
与沉淀法区别
沉淀法方法：将包覆物质的金属盐溶液加入到纳 米陶瓷微粒的水悬浮液中,然后向溶液中加入沉淀 剂使金属离子发生沉淀反应,在纳米陶瓷微粒表面 析出并对其进行包覆。
偶联剂分子必须具备两种基团: 一种与无机物表面能进行化学反应; 另一种(有机官能团)与有机物具有反应性或相容 性．
在众多偶联剂中硅烷偶联剂最具有代表性.
硅偶联剂可用下面的结构式表示：
Y：有机官能团(如氨基、巯基、乙烯基、环氧基)
SiOR：硅氧烷基,也可以是氯代基、乙酰氧基等.作 为偶联剂使用时, 首先水解形成硅醇,然后再与无机 填料表面上的羟基反应. 硅烷偶联剂对于表面具有羟基的无机纳米粒子最有效．
将偶联剂与其低沸点
将后在高速
的溶液,然后在一定温
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度下与无机填料在高 速分散机中均匀分散,
硅 处雾剂性烷 理气反填状应料偶 法;的制联（偶成剂干联活 的法实和际 湿使 法用 ）方 和法 直主 接从改要 加而性达.有入到两法填种；料的:预表面
解决办法：
通过Ca2+,Ba2+无机 阳离子等活化，使 SiO2等表面由负电荷 转变为正电荷,再吸附 硬脂酸钠、十二烷基磺 酸钠或十二烷基苯磺酸 钠等阴离子表面活性剂， 制得了相应的有机化改 性样品。
纳米微粒的表面改性共26页
一、纳米微粒的表面物理修饰
（1）采用范德华力或氢键将异质材料吸附在纳米微粒 的表面，可防止纳米微粒团聚。一般采用表面活性剂对 纳米微粒表面的修饰，表面活性剂分子中含有亲水基团 和亲油基团。
纳米 颗粒
纳米
纳米
颗粒
颗粒
表
面
活
性
强极性溶剂中 非极性溶剂中
剂
（2）表面沉积：将一种物质沉积到纳米微粒表面， 形成与颗粒表面无化学结合的异质包敷层。
Surface modification of silica nanoparticles with hydrophilic polymers
Jung Tae Park ，Jin Ah Seo, Sung Hoon Ahn Journal of Industrial and Engineering Chemistry 16 (2019) 517–522
（1） Activation of silanol groups (–OH): synthesis of SiO2–OH
Step 1：
SiO2
10% HCl RT 10h
SiO H 2O OH
（2）Surface modification to chlorine (–Cl) group: synthesis of SiO2–Cl
（3）表面接枝改性法：通过化学反应将高分子链接 到无机纳米粒子表面上的方法称为表面接枝法。
表面接枝改性的优点： 1.可以充分发挥无机纳米粒子与高分子各自的优点， 实现优化设计，制备出具有新功能的纳米微粒。 2.纳米微粒经表面接枝后，大大地提高了它们在有机 溶剂和高分子中的分散性，这就使人们有可能根据 需要制备含量大、分布均匀的纳米粒子添加的高分 子复合材料。
纳米颗粒表面改性
• 表面活性剂的水溶液在浓度达到CMC时，表面活性剂会随 其浓度的增加而形成胶团，这一现象体现在表面活性剂的 表面张力与浓度曲线（γ-lgc曲线）上出现转折点，而溶液 的其他物理化学性质出现非理想化。 • 对于离子型表面活性剂，其形成的胶团带有较高的电荷， 由于静电引力的作用，在胶团周围会吸引一些反离子，使 一部分正、副电荷互相抵消。但在胶团形成高电荷后，反 离子形成的离子雾的阻滞力大大增加，利用这一点可以调 整纳米粉体的分散性。由于这两个原因，使得溶液的当量 电导在CMC之后随浓度的增加迅速下降，因此，该点也被 用于测量表面活性剂的临界胶束浓度。
• 影响表面活性剂胶团大小的因素 • 胶团是靠表面活性剂分子憎水基的相互吸引缔合而形成的， 所以，分子的热运动和胶团表面电荷的极性基之间的静电 排斥增加了胶团形成的难度。增大分子的憎水基，降低温 度和加入无机盐（如氯化钠）都可以使胶团数增加，从而 使CMC降低。非离子表面活性剂具有反常的温度效应，其 水溶液的温度升高时，非离子表面活性剂的亲水性反而下 降。
• 胶团的形状（随溶液中表面活性剂浓度增加而变化）： • 1.球形胶团：浓度不太大，超过CMC不太多，而且溶液中 无其他添加剂及加溶剂，聚集度n为30—40。 • 2.棒状胶团：浓度较高，约为CMC的10倍或者更高，胶团 能量大，不太稳定。 • 3.棒状胶团的六角束：浓度继续增加，棒状胶团聚集成束， 形成棒状胶团的六角束。 • 层状胶团：浓度更大时，将形成巨大的层状胶团，表面活 性剂分子有序地层层排列，形成有序的模版。
表面活性剂在纳米 技术中的应用
主要内容
• 一、表面活性剂的介绍 • 二、表面活性剂在溶液中的胶团化 • 三、表面活性剂在纳米技术的作用
2012-1-5
2
一、表面活性剂的介绍
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R- －N
T2
T3
－ N+
T2 T 3 4 T
表面改性剂的种类(常见超分散剂)
CH3 R－ N O CH3
表面改性剂的种类
（4）不饱和有机酸 如油酸，用于处理含碱金属粒子的无机矿物填料 （5）有机硅 硅油、硅表面活性剂，用于高岭土、碳酸钙滑石粉、 水合氧化铝等表面的改性 （6）高级脂肪酸及其盐 用于氧化铁红、铁黑、铁黄等粉体表面的改性
如硬脂酸、硬脂酸锌
表面改性剂的种类
（8）超分散剂(BYK公司)
铁黄[-FeO(OH)]+高沸点醇 Fe3O4
酯化反应采用的醇最有效的是伯醇、其次是仲醇，叔醇无效 酯化反应表面修饰法对于表面为弱酸性和中性的纳米微粒最 有效，如SiO2 、Fe2O3、TiO2、Al2O3、ZnO等 －Si-OH+H-O-R -Si-O-R+H2O
化学修饰及改性方法
③表面接枝改性法:通过化学反应将高分子链接到无机纳米 粒子表面上的方法称为表面接枝法
⑤低聚皂类分散剂
COOC2H5ONa -(-CH－CH2－C－CH-)nOC2H5 COOC2H5ONa
⑥水溶性高分子分散剂
COONa
-(-CH－CH－CH2－CH－CH－CH-)nH3COOC
COOR COONa
纳米颗粒表面改性的应用前景
纳米固体的制备
纳米粒子(Al2O3、ZrO2)制备纳米陶瓷 金属纳米粒子制备纳米金属
化学修饰及改性方法
④聚合物包覆改性:
多相聚合法实现聚合物对无机纳米粒子的包覆
化学修饰及改性方法
水溶性POSS改性, 得到水分散型纳米金属粒子
TMA-POSS:anionic octa(tetramethylammonium)polyhedral oligomeric silsesquioxane
提高微粒表面活性
使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能 改善纳米粒子与其它物质之间的相容性
物理修饰及改性方法
① 吸附法
可用于吸附的化合物：表面活性剂、聚电解质、嵌段共聚物
非极性亲油基 极性亲水基 极性官能团 非极性亲油基
无机纳米粒子在水溶 液中的分散
无机纳米粒子在非极性油性溶液 中的分散
作为填料应用
①在润滑油中的应用-降低摩擦系数 如纳米金属微粉(钼、钽、镍、铜)、纳米硼酸盐 ② 在纳米复合材料中的应用 改善传统材料性能(结构纳米材料)－强度、耐磨、耐刮伤性 赋予材料新的功能(功能纳米材料)－如光、电、磁等
不会在颗粒表面导入亲油膜，从而不致影响产品的应用性能
表面改性剂的种类(常见超分散剂)
①含有取代氨基的聚酯分散剂:可用于颗粒在有机溶剂及磁粉在基质中的 分散。 G- NCO, -NH2 G－R－NH－CO N－R－NH－CO－Q R- C2~C10烷基 G－R－NH－CO Q- 聚酯链 ②用于分散颜料的接枝共聚物分散剂 主链：顺丁烯二酸酐－乙烯基单体共聚物
OCH3
OC2H5 H2N (CH2)3 Si OC2H5
KH550(A1100)
OC2H5
化学修饰及改性方法
非水分散型的染料溶在环己烷中 制备微乳液,然后液滴用SiO2包覆 最后硅烷偶联剂改性
化学修饰及改性方法
钛酸酯偶联剂 (RO)M－Ti－(OX-R’-Y)N
偶联无机相 亲有机相
• 单烷氧基型 异丙基三（异硬脂酰基）钛酸酯
物理修饰及改性方法
表面sol-gel沉积法:
sol-gel:纳米SiO2对纳米结构的表面包覆 a: 纳米颗粒 b:晶体 c:双连续网状结构 作用: 金属颗粒:稳定,防止团聚 磁性颗粒:提高磁流体稳定性 BaTiO3:防止溶解 CdS:光解保护作用 HAp:提高生物相容性
化学修饰及改性方法
① 偶联剂法
X－C、N、P、S等元素 R’－长链烷烃 Y－羟基、氨基、环氧基、双键等
异丙氧基三（磷酸二辛酯）钛
O i-C3H7OTi[OP(OC8H17)2]3
CH3
Ti－O－Leabharlann H－CH3＋HOTi－O－
化学修饰及改性方法
②酯化反应法:金属氧化物与醇的反应成为酯化反应
200℃脱水 -Fe2O3 亲油疏水氧化铁 275℃脱水
聚合与表面接枝同步进行法
例如碳黑，表面捕捉自由基能力 较强(边聚合边接枝) 颗粒表面聚合生长接枝法(无机纳米粒子能吸附引发剂)
单体在引发剂作用下直接从无机纳米粒子表面开始聚合，诱发生长
偶联接枝法:纳米粒子表面官能团与高分子的直接反应 颗粒－OH＋OCN－P 颗粒－OCONH－P
优点：①制备新功能纳米微粒； ②提高它们在有机溶剂和高分子中的分散性。
表面改性剂的种类
（1）偶联剂 种类：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆铝酸盐及络合物 作用：无机填料与有机高聚物分子之间的“分子桥”，抑制 填料体系“相”分离，增大填充量 （2）表面活性剂 阴离子：十二烷基苯磺酸钠 阳离子：胺盐类 非离子：脂肪醇聚氧乙烯醚 两性：氧化胺 （3）有机聚合物 聚丙烯蜡、聚乙烯蜡
第三章:纳米颗粒的表面修饰 与改性
2009.10.29
纳米颗粒的表面修饰与改性
表面工程:用物理、化学方法对粒子表面进行处理,有目的
地改变粒子表面的物理化学性质,如表面原子层结构和
官能团,表面疏水亲水性,电性和反应特性等,实现人们 对纳米微粒表面的控制. 表面修饰与改性目的： 改善或改变纳米粒子的分散性
一部分为锚固基团，可通过离子对、氢键、范德华力等作用以单点或 多点的形式紧密地结合在颗粒表面上，另一部分为具有一定长度的聚 合物链。适用于提高颜料、填料在非水介质中的分散度
特点：
在颗粒表面可形成多点锚固，提高了吸附牢固度而不易解吸 溶剂化链比传统分散剂亲油基团长，可起到有效的空间稳定 作用 形成极弱的胶束，易于活动，能迅速移向颗粒表面，起到润 湿保护作用
在不同介质中，表面活性剂在纳米颗粒表面吸附示意图 例：十二烷基苯磺酸钠－纳米Cr2O3、Mn2O3在乙醇中的分散
物理修饰及改性方法
②表面沉积法:将一种物质沉积到纳米微粒表面，形成与 颗粒表面无化学结合的异质包覆层 例：纳米TiO2表面包覆Al2O3
60℃ 纳米粒子分散在水中
浓硫酸调节pH值 1.5~2.0 铝酸钠水溶液 纳米TiO2-Al2O3
子(如纳米SiO2)最有效，但与CaCO3、碳黑等碱性粒子结合差。
代表性硅烷偶联剂
OCH3 O O Si OCH3
硅烷偶联剂：Y-R1-Si(OR)3，对表面具有羟基的无机纳米粒
国内(外)牌号 KH570(A174)
OCH3
O H2C CH CH2 O (CH2)3
OCH3 Si OCH3
KH560(A187)