纳米粉体的分散

防止团聚的措施——分散 分散 防止团聚的措施
• 对于软团聚 可以通过搅拌的方式减少颗粒 对于软团聚, 长大, 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 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、 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 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, 由水以及表面羟基的措施 对于硬团聚的防 止比较有效
团 聚
引起纳米粉体来自百度文库生团聚的原因
1)材料在纳米化过程中 在新生的纳米粒子的表面积累了 材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了 材料在纳米化过程中 大量的正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定 这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳 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 它们互相吸引,使颗粒团聚 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 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。 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 材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能 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 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 往往通过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚 能,往往通过相互聚集而达到稳定状态 因而引起粒子团聚。 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 当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短 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 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。 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 由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作 由于纳米粒子表面的氢键 也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 用,也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 也易导致粒子之间的互相黏附聚集
•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
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； 非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散； 非极性颗粒易于在非极性液体 •极性颗粒易于在极性液体中分散 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。 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, 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。 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฀ 搅拌会造成溶液飞溅, 反应物损失฀
•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
纳米粉体的分散
纳米粉体为何需要分散？ 纳米粉体为何需要分散？
纳米颗粒由于粒径小, 纳米颗粒由于粒径小 表面原子比例 比表面大, 表面能大, 大, 比表面大 表面能大 处于能量不稳定 因此很容易团聚导致颗粒增大. 状态 , 因此很容易团聚导致颗粒增大
团聚机理
硬团聚：在强的作用力（化学键力） 硬团聚：在强的作用力（化学键力） 下使颗粒团聚在一起， 下使颗粒团聚在一起，不能用机械 的方法分开 软团聚： 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， 德华力作用引起的聚集，可以用机械 的办法分开
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 机或捏合机、流态化床、 中进行
影响化学改性的主要因素有: 影响化学改性的主要因素有:
①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; ②表面改性剂的种类、用量及方法; ③ 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฀
• 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好 不 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好, 能超过它的临界胶束浓度. 浓度太高, 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, 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, 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, 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. 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 值有关, 与溶液的 酸碱度不同. 酸碱度不同
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，降低非架桥枪羟基数量 •冷冻干燥法 冷冻干燥在低温、负压条件下, 自由水冻成冰时,其体积 膨胀, 使彼此靠近的凝胶粒子分开, 然后水由固相直接升成 气体, 因而避免了“液桥”引起的严重团聚现象. •共沸蒸馏
表面活性剂在固/液界面上的吸附方式： 液界面上的吸附方式：
1. 离子交换吸附 2. 离子对吸附 3. 氢键形成吸附 4. Π电子成键吸附 电子成键吸附 5. 色散力、诱导力、静电力 色散力、诱导力、 6. “憎水键”的作用 憎水键”
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฀
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、 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, 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
超生分散法不适 用于乳液分散或 有磁性的超微颗 粒
超声波分散仪
分散剂分散