纳米颗粒的表面修饰与改性

两面性
改善或提高无机纳米粉体与复合材料中基料或其他
物质之间的相容性；
纳米粉体在催化、环保、微电子、生物医药及化工等领 域的应用需要特定的表面物理化学特性及功能。因此，有 选择性地赋予无机纳米粉体材料新的物理化学性能及新的 功能也要通过表面改性或表面处理来实现。
如中空玻璃微粉的表面二氧化硅包覆 铝粉的表面二氧化硅表面包覆
• • •
为什么要对纳米微粒进行表面修饰 什么是表面改性与修饰 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（酯化反应法、偶联 剂法、表面接枝改性法）
What is
纳米颗粒的表面修饰与改性
纳米粒子表面改性是指采用物理、化学等深加工处 理的方法对纳米粒子的表面进行处理、修饰和加工，从 而控制其内应力，增加纳米颗粒间的斥力， 降低颗粒间 的引力，使粒子的表面物理、化学性质(形貌、晶体结 构、缺陷状态、应力状态、官能团表面能、表面疏水性、 表面润湿性、表面电势、表面吸附和反应特性等)发生 变化，有目的地改变纳米粒子表面的物理、化学性质， 从而赋予纳米粒子新的功能、满足纳米粒子加工及应用 需要的一门科学技术。
硬团聚机理: 氢键理论、化学键理论、晶桥理论和毛细 管吸附理论 （1）毛细管吸附理论。毛细管效应一般发生在湿化学 法制备纳米粉体时的脱除溶剂和干燥过程的排水阶段。
（2）晶桥理论。在纳米粉体干燥过程中，毛细管吸力 使颗粒相互靠近，颗粒间由于表面羟基和部分原子在介 质中的溶解- 沉析形成晶桥而变得更加紧密。随时间的 延长，晶桥使纳米颗粒相互结合，因而形成了较大的块 状团聚体。 （3）化学键理论。纳米颗粒表面存在与金属离子结合的 非架桥羟基会发生化学反应，从而形成化学键，引起纳 米粉体的硬团聚。
4）氢键理论。该理论认为纳米粉体之间硬团聚的主 要原因是颗粒之间存在着氢键。
5）表面原子扩散理论。大多数液相合成的纳米粉体在 刚反应后的颗粒表面原子具有很大的活性，其表面断 键引起的原子能量远高于内部原子的能量，容易使颗 粒表面原子扩散到相邻颗粒表面并与其对应的原子键 合，形成稳固的化学键，从而形成永久性的硬团聚。
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
引起纳米粉体产生软团聚的原因
1）小尺寸效应：纳米粉体粒径变小，使其表面能所占的原子或基 团数急剧增加，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。
2）表面效应：纳米粒子表面原子或基团数增加，也使其表面能升高， 粒子处于极不稳定状态，为了降低表面能而趋于稳定状态，粒子往往 通过相互聚集靠拢而达到稳定状态，故而引起粒子团聚。
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 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来自百度文库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 2.2 表面包覆法
小尺寸效应： 当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗 意波长以及超导态的相干长度或透射深度等 物理特性尺寸相当或更小时，周期性的边界 条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特 征均会呈现新的变化。
表面与界面效应： 指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加， 粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而 引起纳米粒子性质的变化。 纳米粒子的表面原子具有不饱和性质， 易与其他原子结合，具有很高的化学活性。
3）表面电子效应： 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。 4）近距离效应：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 吸引而团聚。
颗粒之间总的作用势能可以表示为 VT = V WA + VER + VSR 式中, VWA 为范德华引力势能; VER 为双电层斥力势能; V SR 为空间位阻斥势能。
防止纳米粒子团聚的途径和方法
(1) 降低表面能。强化纳米粒子表面对分散介质的润湿性， 改变其界面结构，提高溶剂化膜的强度和厚度，增强溶剂 化排斥作用。 (2) 中和表面电荷。增大纳米粒子表面双电层的电位绝对值， 增强纳米粒子间的静电排斥作用。 (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，降低吸引能。
纳米颗粒的表面修饰与改性
• • •
为什么要对纳米微粒进行表面修饰 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（酯化反应法、偶 联剂 法、表面接枝改性法）
介绍纳米微粒表面修饰的意义，介绍 目前比较常用的物理和化学修饰方法。
为什么要对纳米微粒进行表面修饰
1.小尺寸效应 2.表面与界面效应 3.量子尺寸效应
量子尺寸效应: 量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到 某一值时，费米能级附近的电子能级由准 连续变为离散的现象，同时，能隙变宽。 由此导致的纳米微粒的催化、电磁、光学、 热学和超导等微观特性和宏观性质表现出 与宏观块体材料显著不同的特点。
由于纳米粉体粒度细、比表面积大、表面能 高、表面原子数增多、原子配位不足及高的表 面能，使得这些表面原子具有很高的活性，极 不稳定，纳米粒子在制备、储存以及使用过程 中, 极易发生团聚或与其他物质发生吸附， （“团聚”及“失活”）。
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
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，可 以用机械的办法分开