表面活性剂论文

表面活性剂化学论文

表面活性剂在纳米材料上的应用概况

表面活性剂在纳米材料上的应用概况

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摘要：综述了表面活性剂的分散机制及其在纳米材料制备中的作用机理;介绍了目前表面活性剂在纳米材料制备中的三种主要的作用途径及其对应的制备方法，并展望了表面活性剂在纳米材料制备中的应用前景和发展方向。

关键词：表面活性剂；分散；作用机理；纳米材料；应用前景

引言

纳米材料被公认是21世纪最具研究前途和潜力的科研领域。作为一门新的学科，纳米材料的研究现已成为国内外材料科研的一大热点。纳米材料又称超微细粉材，颗粒的尺寸一般在1～100nm之间，因具有较大的表面能、较难稳定存在、易发生自发的团聚等特点，所以在生物工程、光电领域、医学、化工等多个领域都有着广泛的应用。而表面活性剂有工业

味精之称，具有湿润、乳化、分散、增溶、发泡、消泡、渗透等一系列优异性能，几乎已经渗透到眼下生活中的所有技术经济部门。表面活性剂具有独特的双亲结构，其结构分为亲水基和亲油基两大部分，有着良好的吸附性，易形成胶束，因此在纳米材料的制备中有着广泛的应用。表面活性剂独特的结构决定了它分散机制的独特性，实际在纳米材料制备中主要是通过控制纳米微粒大小和形态，改善纳米微粒表面性能，控制纳米材料结构等三种重要的作用途径来实现的。下面将介绍表面活性剂的分散机制及其在纳米材料制备中的三种主要途径的对应方法。

1.表面活性剂的分散机制

（1）静电稳定机制

表面活性剂吸附在纳米材料表面上，形成了包裹纳米材料的胶体，胶体表面由于电离或吸附的原因，带有部分电荷。以水性分散介质为例，分散剂亲油性基团吸附于固体粒子表面，亲水基团为水介质溶剂化，并扩展到水相介质中，由此围绕粒子形成一个带电荷的保护屏障，双层包围粒子，粒子之间产生静电斥力，使分散体稳定[1 ]。在纳米材料的制备中会使得胶体与胶体之间由于静电斥力的作用较难聚集到一起，从而增加了纳米材料的稳定性。（2）空间位阻稳定机制

表面活性剂包裹着纳米材料时，加入分散剂可使其一端的官能团与胶体发生吸附，另一端溶剂化链伸向介质中，形成阻挡层，在吸附作用下形成了一种空间壁垒，阻碍纳米材料之间的相互碰撞、结合，从而使纳米材料能稳定存在。

（3）静电位阻稳定机制

静电位阻稳定机制即电空间稳定，其静电部分来源于粒子表面的静电荷或与定位聚合物联系的电荷，所用高聚物叫聚电解质。因为既有双电层稳定机制，又有空间位阻稳定机制，此种稳定效果会更好，可在小范围内位阻稳定阻止粒子相互接触[2 ]。

2.表面活性剂在纳米材料制备中的应用

表面活性剂具有独特的双亲结构，决定了其在纳米材料制备中作用机理的独特性。下面分别介绍不同作用机理所对应的纳米材料的制备方法。

2.1控制纳米微粒大小和形态

2.1.1沉淀法

在沉淀法中应用表面活性剂，是为了效的防止沉淀过程中胶粒的聚集，抑制团聚，缩短反应时间。此外在高温煅烧下还可以得到纯度较高的产物[3 ]。沉淀法成本较低，其中最常见的方法是空气氧化法制备纳米α- Fe2O3。在惰性气氛下，往FeSO4溶液中加入过量的NaOH

溶液，使胶粒Fe(OH)3快速生成。往悬浮液中鼓入空气后，Fe(OH)2胶粒逐渐凝聚成较大的胶团，并在胶团与溶液界面上形成针形的α-FeOOH晶核，进而使胶团逐渐分裂解体，直至全部转变成针形α-FeOOH微晶。再对沉淀物进行过滤、洗涤，在马弗炉中维持350℃干燥后得到氧化铁原粉，最后用无水乙醇洗涤，于100℃下烘干，即制得纳米α- Fe2O3粉体[4]。

2.1.2微乳液法

实际制备生产中常常加入乳化剂使得两相的界面面积增大、界面自由能增加，来得到稳定的乳液。根据分散相或连续相性质不同分类，常见的乳状液有两种类型，即W/O和O/W 型。Schulman等人在研究中发现，合成出的产物颗粒与分散相液滴的大小有密切关系，通过控制表面活性剂的类型、浓度、反应温度等多个条件可以控制分散相液滴直径，在合成纳米材料过程中显得更为灵活。

聂王焰等人[5]在OP10/正辛醇/环己烷/氨水形成的W/O型微乳液中制备了SiO2纳米粒子，对样品结构及形貌尺寸进行了表征，发现所制备的纳米SiO2为无定型结构的球形颗粒，粒径为80～105nm，且随W/O微乳液中犚和犎的增大而增大。在利用W/O微乳液制备纳米粒子时水与表面活性剂的摩尔比决定水核的大小，同时也影响着界面膜的强度，使得包裹着SiO2的水核相互碰撞时很容易产生物质交换，因此产物SiO2的颗粒大小随摩尔比的增加而增大。通过对比实验还发现，当摩尔比为５时，采用正辛醇为辅助表面活性剂，所制备纳米SiO2的粒径分布最窄。C.K.Xu等人[6]在壬基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚和Tween80组成的混合非离子表面活性剂微乳液体系中制备SiO2的前驱体，经810℃煅烧得到SiO2纳米棒。

2.1.3模板法

表面活性剂不同的浓度影响着胶束有不同的形态。表面活性剂分子与纳米材料间的驱动力作用下对游离的纳米材料的前驱物有效地引导，可合出以胶束为模板的纳米材料。姚兴雄等人[7]用十六烷基三甲基溴化铵形成的胶束为模板制备了聚苯胺纳米纤维。实验发现，不同浓度的CTAB对所合成的纤维形状有影响。主要是因为不同浓度时，表面活性剂的自组装结构不同，高浓度时，胶束为层状；低浓度时，胶束为圆柱状，这种空间维度上的差异是导致纤维不同形貌的原因。实验还发现，随着浓度的增加反应时间相应地增长。

有机锆醇盐为锆源，以十二烷基磺酸钠(SDS)为模板，制备出具有蠕虫状介孔结构的四方相氧化锆纳米晶[8]。SDS是一种较短链长的阴离子表面活性剂，在有机溶剂中形成反相胶束，这种反相胶束能够增溶极性分子，由于这种极性内核的限制，在此模板中制备出了氧化锆纳米晶。K.C.SONG等人[9]就以表面活性剂的层状结构为模板，制备出了层状的TiO2。

2.2改善纳米微粒表面性能