2.3 纳米粉体的分散
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易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂 或其它聚合物发生化学反应或生成氢键并溶于其中。 按化学结构及组成可分为有机铬络合物、硅烷类、钛酸酯类和铝酸化合 物四大类。
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2.3.3 聚电解质分散剂
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空化作用：超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周期。超声波
作用于介质液体时，在负压区内介质分子间的距离会超过液体介质的临界 分子距离，使液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡长大变成空化气泡 。气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也可能脱离超声场的共振 相位而溃陷。这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的现象，就是 空化作用。包括三个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈崩溃。
非离子型：极性基团不带电，如乙二醇；
2012-4-5
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常用分散剂
表面活性剂：空间位阻效应；如：长链脂肪酸等。 小分子量无机电解质或无机聚合物：空间位阻、静电稳定；如硅酸钠、
三聚磷酸钾等。 高分子有机聚合物：空间位阻、静电稳定；如：明胶、海藻酸盐等。 偶联剂类：空间位阻、静电稳定；如：硅烷类、钛酸酯类等。
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2012-4-5
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超声波强度
定义：指单位面积上的超声功率 超声波强度增加时，空化强度增
大，但达到一定值后，空化趋于 饱和，此时再增加超声波强度则 会产生大量无用气泡，从而增加 了散射衰减，降低了空化强度。
获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，清洗，焊接，碎石 、杀菌消毒等。 传播介质：超声波传播需要以介质（水等）为载体。 分散原理：空化作用在水介质中产生局部的高温高压，并产生巨大的冲击 力和微射流。纳米粉体在其作用下，表面能被削弱，从而实现对纳米粉体 的分散作用。
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2012-4-5
按溶于水后是否生成离子，表面活性剂分为离子型和非离子型表面活性
剂等。
单分子膜
球状胶束
层状胶束
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小分子量无机聚合物
指由非碳原子(O,N,P,S等杂原子)以共价键为主结合在一起组成的大分 子物质。通常在主链上不含碳原子，但少数也含有碳。如石棉、云母等
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粉体工程与表面改性
2012-4-5
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2.3 纳米粉体的分散方法
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液体的温度
液体温度越高，对空化的产生越有利；但温度过高时，气泡中蒸汽压增 大，因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。
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超声时间
适当的超音时间可以有效地改善粉体的团聚情况 经4个超音周期的处理，粉体平均粒径下降了一倍多 超声过久，导致过热，颗粒碰撞几率增加，分散度反而下降。
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表面活性剂
分散机理：空间位阻效应
由亲水基团和亲油基团组成，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张 力显著下降的物质。
亲水基团常为极性基团，如羧酸、羟基、硫酸、氨基或胺基及其盐等； 亲油基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。
超声波→负压大于液体分子临界作用力→微泡→负压（拉伸导致长大）、正 压（压缩导致崩溃）→产生局部高温（1900K）高压（上百兆帕），并伴随 强烈冲击波和高速微射流（400km/h）。
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超声波空化作用影响因素 超声波强度 超声波频率 液体的表面张力与黏滞系数 液体的温度 超声时间
必须有特殊的锚固基团，从而能吸附在微粒表面； 分子中必须含有有机高分子链段，且高分子链段
必须能与周围的溶液很好地相容。否则相容性不 好，则高分子链段会折叠，位阻效应下降，稳定 性丧失。
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偶联剂
是改善有机物与无机物界面结合性能的一种物质。 具有两种不同性质官能团的物质。两个基团中一个是亲无机物的基团，
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定义：是一类线型或支化的水溶性高分子物质。其结构单元含有能电离
的基团。可用作增稠剂、分散剂、絮凝剂、胶粘剂等。 与小分子量无机电解质分散剂相比，聚电解质的分散效果对电解质浓度不
敏感，在较高固含量下仍有效、对水或非水介质均适用。
定义：借助外界剪切力或撞击力等机械能使纳米粒子在介质中充分分散的
一种方法 。
机械分散法
研磨 普通球磨 振动球磨 胶体磨 空气磨 机械搅拌
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振动球磨的分散效率较高 粉体磨细到一定程度，延长球磨时间，粒径不变。原因：
纳米材料因其体积效应和表面效应使其具有优异性能； 纳米粉体的自发团聚将大大影响其性能的发挥； 颗粒分散：粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均有分
布的过程。包括润湿、解团聚和稳定化三个阶段。 润湿：指固体表面与液体接触时，原来的固相-气相界面消失，形成新
的固相-液相界面的现象。润湿能力就是液体在固体表面铺展的能力。
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高分子有机聚合物
定义：指由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一 万以上的化合物。
分散机制：空间位阻效应、静电排斥效应。 分类：离子型（聚电解质）和非离子型高分子聚合物。 要求：
超音频率对AlO-ZrO双组成分浆料 表观黏度的影响
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超声波频率
对于悬浮体的分散，存在最优分散频率，它取决于悬浮体的粒径。粒径 越大，最优分散频率越低。
超声波频率越低，在液体中产生空化越容易。即：空化是随着频率的升 高而降低。一般采用的频率范围20~40kHz。
分散机理：静电稳定、空间位阻效应 按链的组成分类，可有均链聚合物和杂链聚合物两大类。
均链聚合物：主链由一种元素组成的聚合物。如：聚二苯基锡Sn(C6H5)2 杂链聚合物：主链由不止一种元素组成，它由中心原子通过“搭桥 ”原子（
如氧、硫、氮、氯 、氰）连接而成 。如：聚硅氧烷及其衍生物。
聚电解质的离解特性
聚电解质通常具有一定的酸碱性，有强 弱之分。
若为强酸或强碱，则可以100％离解。 若为弱酸或弱碱，一般是不能完全离解
的。通常用离解百分数α或表观离解常 数Kα来表示聚电解质的离解特性。 大多数聚电解质为弱酸碱。
区分强弱酸的方法：NaOH电导滴定
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化学分散：通过分散剂，使颗粒间有较强斥力，抑制分散体系的絮凝。
实际中常采用机械分散和化学分散两种手段结合。
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分散剂分类（按活性基团的电离性分）：离子型和非离子型
离子型：极性基团带电。可分为：
阳离子型：极性基团带正电，如氨基等； 阴离子型：极性基团带负电，如羧基等； 两性型：含两种活性基团，并分别带正电和负电。
流变性。
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2.3.1 物理法分散纳米粉体
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一、超声波法
超声波：频率高于20KHz的声波。特点：方向性好，穿透能力强，易于
硫酸钡粉体的分散度与超音频率的关系
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液体的表面张力与黏滞系数
液体的表面张力越大，空化强度越高，越不易于产生空化。 黏滞系数大的液体难以产生空化泡，而且传播过程中损失也大，因此同
样不易产生空化。
超音时间对3Y-TZP粉体平均粒径的影响
6wk.baidu.com
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a
b
SiO2胶体颗粒超声分散前后的分散状态 a、分散前；b、分散后
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二、机械分散法
细颗粒有巨大的界面能，颗粒间的范德华力较强 随着粉体粒度的降低，颗粒间自动聚集的趋势变大 分散作用与聚集作用达到平衡，粒径不再变化
球磨时间对粉体性质的影响
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机械分散的缺点 易引入杂质（球磨介质） 可能改变粉体性质。如提高粉体颗粒表面能，增加晶格缺陷、在 表面形成无定形层，改变化学组成等。
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聚合物弱酸弱碱的离解影响因素
PH值。采用电位滴定法确定离解度随pH的变化 相邻基团离解与否。相邻基团离解产生的电荷会抑制其它基团的离解 离子浓度。离子浓度越高，屏蔽作用越大。相同pH值下离解度就越高 分子量。分子量越低，相同pH值下离解度越低 分子结构。
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2.3.2 化学法分散纳米粉体
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机械分散于化学分散的比较
机械分散：虽然分散效果较好，但当机械外力停止后，由于范德华力 作用，又会发生颗粒的聚集。
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聚电解质的分子量
分子量大小对聚电解质性质影响重要。如：聚丙烯酸分子量低时是分 散剂，中等时是增强剂，高时是絮凝剂；
分子量测定方法：粘度法、端基法等。
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例：聚合物弱酸
聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚乙烯亚胺的结构式
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0.08%的PMAA水溶液的滴定曲 线及离解度随PH值变化情形
PEI离解度随PH值的变化关系
解团聚：指通过某些方法使较大粒径的聚集体分散为较小的颗粒。 稳定化：指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散。
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分散方法：物理分散和化学分散；
物理分散：超声波分散、机械力分散等 化学分散：采用分散剂提高悬浮体的分散性，改善其稳定性和
聚电解质的分类：
聚酸类：电离后成为阴离子高分子,如：聚丙烯酸。 聚碱类：电离后成为阳离子高分子,如：聚乙烯胺等。 两性类：分子中具有酸性和碱性两种可电离的基团。如：两性型聚丙
烯酰胺等
分散过程：溶解在水或低级醇中，一方面与颗粒通过锚固进行连接；另
一方面，电离成一个聚离子和许多与聚离子电荷相反的小离子（反离子）。 聚离子的分子链上有许多固定的电荷，在聚离子周围形成静电场，是颗粒 通过静电效应和空间位阻效应分散。
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2.3.3 聚电解质分散剂
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空化作用：超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周期。超声波
作用于介质液体时，在负压区内介质分子间的距离会超过液体介质的临界 分子距离，使液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡长大变成空化气泡 。气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也可能脱离超声场的共振 相位而溃陷。这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的现象，就是 空化作用。包括三个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈崩溃。
非离子型：极性基团不带电，如乙二醇；
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常用分散剂
表面活性剂：空间位阻效应；如：长链脂肪酸等。 小分子量无机电解质或无机聚合物：空间位阻、静电稳定；如硅酸钠、
三聚磷酸钾等。 高分子有机聚合物：空间位阻、静电稳定；如：明胶、海藻酸盐等。 偶联剂类：空间位阻、静电稳定；如：硅烷类、钛酸酯类等。
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超声波强度
定义：指单位面积上的超声功率 超声波强度增加时，空化强度增
大，但达到一定值后，空化趋于 饱和，此时再增加超声波强度则 会产生大量无用气泡，从而增加 了散射衰减，降低了空化强度。
获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，清洗，焊接，碎石 、杀菌消毒等。 传播介质：超声波传播需要以介质（水等）为载体。 分散原理：空化作用在水介质中产生局部的高温高压，并产生巨大的冲击 力和微射流。纳米粉体在其作用下，表面能被削弱，从而实现对纳米粉体 的分散作用。
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按溶于水后是否生成离子，表面活性剂分为离子型和非离子型表面活性
剂等。
单分子膜
球状胶束
层状胶束
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小分子量无机聚合物
指由非碳原子(O,N,P,S等杂原子)以共价键为主结合在一起组成的大分 子物质。通常在主链上不含碳原子，但少数也含有碳。如石棉、云母等
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粉体工程与表面改性
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液体的温度
液体温度越高，对空化的产生越有利；但温度过高时，气泡中蒸汽压增 大，因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。
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超声时间
适当的超音时间可以有效地改善粉体的团聚情况 经4个超音周期的处理，粉体平均粒径下降了一倍多 超声过久，导致过热，颗粒碰撞几率增加，分散度反而下降。
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表面活性剂
分散机理：空间位阻效应
由亲水基团和亲油基团组成，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张 力显著下降的物质。
亲水基团常为极性基团，如羧酸、羟基、硫酸、氨基或胺基及其盐等； 亲油基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。
超声波→负压大于液体分子临界作用力→微泡→负压（拉伸导致长大）、正 压（压缩导致崩溃）→产生局部高温（1900K）高压（上百兆帕），并伴随 强烈冲击波和高速微射流（400km/h）。
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超声波空化作用影响因素 超声波强度 超声波频率 液体的表面张力与黏滞系数 液体的温度 超声时间
必须有特殊的锚固基团，从而能吸附在微粒表面； 分子中必须含有有机高分子链段，且高分子链段
必须能与周围的溶液很好地相容。否则相容性不 好，则高分子链段会折叠，位阻效应下降，稳定 性丧失。
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偶联剂
是改善有机物与无机物界面结合性能的一种物质。 具有两种不同性质官能团的物质。两个基团中一个是亲无机物的基团，
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定义：是一类线型或支化的水溶性高分子物质。其结构单元含有能电离
的基团。可用作增稠剂、分散剂、絮凝剂、胶粘剂等。 与小分子量无机电解质分散剂相比，聚电解质的分散效果对电解质浓度不
敏感，在较高固含量下仍有效、对水或非水介质均适用。
定义：借助外界剪切力或撞击力等机械能使纳米粒子在介质中充分分散的
一种方法 。
机械分散法
研磨 普通球磨 振动球磨 胶体磨 空气磨 机械搅拌
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振动球磨的分散效率较高 粉体磨细到一定程度，延长球磨时间，粒径不变。原因：
纳米材料因其体积效应和表面效应使其具有优异性能； 纳米粉体的自发团聚将大大影响其性能的发挥； 颗粒分散：粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均有分
布的过程。包括润湿、解团聚和稳定化三个阶段。 润湿：指固体表面与液体接触时，原来的固相-气相界面消失，形成新
的固相-液相界面的现象。润湿能力就是液体在固体表面铺展的能力。
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高分子有机聚合物
定义：指由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一 万以上的化合物。
分散机制：空间位阻效应、静电排斥效应。 分类：离子型（聚电解质）和非离子型高分子聚合物。 要求：
超音频率对AlO-ZrO双组成分浆料 表观黏度的影响
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超声波频率
对于悬浮体的分散，存在最优分散频率，它取决于悬浮体的粒径。粒径 越大，最优分散频率越低。
超声波频率越低，在液体中产生空化越容易。即：空化是随着频率的升 高而降低。一般采用的频率范围20~40kHz。
分散机理：静电稳定、空间位阻效应 按链的组成分类，可有均链聚合物和杂链聚合物两大类。
均链聚合物：主链由一种元素组成的聚合物。如：聚二苯基锡Sn(C6H5)2 杂链聚合物：主链由不止一种元素组成，它由中心原子通过“搭桥 ”原子（
如氧、硫、氮、氯 、氰）连接而成 。如：聚硅氧烷及其衍生物。
聚电解质的离解特性
聚电解质通常具有一定的酸碱性，有强 弱之分。
若为强酸或强碱，则可以100％离解。 若为弱酸或弱碱，一般是不能完全离解
的。通常用离解百分数α或表观离解常 数Kα来表示聚电解质的离解特性。 大多数聚电解质为弱酸碱。
区分强弱酸的方法：NaOH电导滴定
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化学分散：通过分散剂，使颗粒间有较强斥力，抑制分散体系的絮凝。
实际中常采用机械分散和化学分散两种手段结合。
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分散剂分类（按活性基团的电离性分）：离子型和非离子型
离子型：极性基团带电。可分为：
阳离子型：极性基团带正电，如氨基等； 阴离子型：极性基团带负电，如羧基等； 两性型：含两种活性基团，并分别带正电和负电。
流变性。
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2.3.1 物理法分散纳米粉体
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一、超声波法
超声波：频率高于20KHz的声波。特点：方向性好，穿透能力强，易于
硫酸钡粉体的分散度与超音频率的关系
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液体的表面张力与黏滞系数
液体的表面张力越大，空化强度越高，越不易于产生空化。 黏滞系数大的液体难以产生空化泡，而且传播过程中损失也大，因此同
样不易产生空化。
超音时间对3Y-TZP粉体平均粒径的影响
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SiO2胶体颗粒超声分散前后的分散状态 a、分散前；b、分散后
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二、机械分散法
细颗粒有巨大的界面能，颗粒间的范德华力较强 随着粉体粒度的降低，颗粒间自动聚集的趋势变大 分散作用与聚集作用达到平衡，粒径不再变化
球磨时间对粉体性质的影响
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机械分散的缺点 易引入杂质（球磨介质） 可能改变粉体性质。如提高粉体颗粒表面能，增加晶格缺陷、在 表面形成无定形层，改变化学组成等。
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聚合物弱酸弱碱的离解影响因素
PH值。采用电位滴定法确定离解度随pH的变化 相邻基团离解与否。相邻基团离解产生的电荷会抑制其它基团的离解 离子浓度。离子浓度越高，屏蔽作用越大。相同pH值下离解度就越高 分子量。分子量越低，相同pH值下离解度越低 分子结构。
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2.3.2 化学法分散纳米粉体
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机械分散于化学分散的比较
机械分散：虽然分散效果较好，但当机械外力停止后，由于范德华力 作用，又会发生颗粒的聚集。
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聚电解质的分子量
分子量大小对聚电解质性质影响重要。如：聚丙烯酸分子量低时是分 散剂，中等时是增强剂，高时是絮凝剂；
分子量测定方法：粘度法、端基法等。
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例：聚合物弱酸
聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚乙烯亚胺的结构式
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0.08%的PMAA水溶液的滴定曲 线及离解度随PH值变化情形
PEI离解度随PH值的变化关系
解团聚：指通过某些方法使较大粒径的聚集体分散为较小的颗粒。 稳定化：指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散。
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分散方法：物理分散和化学分散；
物理分散：超声波分散、机械力分散等 化学分散：采用分散剂提高悬浮体的分散性，改善其稳定性和
聚电解质的分类：
聚酸类：电离后成为阴离子高分子,如：聚丙烯酸。 聚碱类：电离后成为阳离子高分子,如：聚乙烯胺等。 两性类：分子中具有酸性和碱性两种可电离的基团。如：两性型聚丙
烯酰胺等
分散过程：溶解在水或低级醇中，一方面与颗粒通过锚固进行连接；另
一方面，电离成一个聚离子和许多与聚离子电荷相反的小离子（反离子）。 聚离子的分子链上有许多固定的电荷，在聚离子周围形成静电场，是颗粒 通过静电效应和空间位阻效应分散。