纳米颗粒表面改性

• 表面活性剂胶团的大小和形状： • 表面活性剂的大小和形状影响着它在纳米技术中的应用，特 别是在纳米粉体的合成中，往往胶团的大小和形状决定了纳 米颗粒的粒度大小、粒度分布和形状。 • 胶团的大小可以用缔合成一个胶团粒子的表面活性剂分子或 离子的平均数目，即聚集数来衡量，通常用光散射法测定胶 团的“分子量”来确定胶团的聚集数。胶团的聚集数n可以 从几十到几千甚至几万。 • 在表面活性剂亲水基不变的条件下，当亲油基团碳原子数目 增加时，表面活性剂的亲油性增加，使其从水中逃逸的趋势 增大，所以在水介质中的胶团聚集数相应增加。特别是非离 子表面活性剂，亲油性增加使胶团数增大的趋势明显。
• 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。
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• 反胶束溶液也称为油包水型（W/O型）乳液，它是表面活 性剂在非极性的有机溶剂中形成的球状聚集体，其尺寸要 比正胶团小，具纳米级水平，直径一般为5—50nm，而正 胶团尺寸范围较大，一般直径为10—1000nm。
二、表面活性剂在溶液中的胶团化
• 表面活性剂在溶液中分散，当达到一定浓度时，表面活性 剂分子会从单体（单个离子或分子）缔合成为胶态聚集物， 形成胶团。溶液性质随之发生突变，此时的浓度，即形成 胶团的浓度，称为临界胶团浓度（critical micelle concentration，简写为CMC），表面活性剂形成胶团的过 程称为胶团化作用。 • 表面活性剂随水溶液的浓度变化在溶液中形成胶团有一个 变化的过程。
三、表面活性剂在纳米材料制备中的作用
1.控制纳米颗粒大小、形状 控制纳米颗粒大小、 控制纳米颗粒大小
• 表面活性剂分子结构特点决定其在溶液中必然形成胶团， 而胶团的大小和胶团的数目是可以通过控制表面活性剂结 构决定的，一般的，常用的表面活性剂形成的胶团的直径 为10—100nm，而胶团本身是一个微型反应器，胶团尺寸 大小限制了所生成产物的大小和形状，所以选择不同结构 和性质的表面活性剂，控制胶团结构和大小，可以得到尺 寸大小，粒子形态可控的纳米颗粒。纳米金属氧化物，像 氧化铁、氧化钛等的合成都可以采用表面活性剂来控制微 粒的形态和尺寸。
• 结构：表面活性剂的结构都是由性质不同的两部分组成， 一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团，另一 部分为亲水疏油的极性基团。这两部分分别位于表面活 性剂分子的两端，构成了不对称的分子结构。
亲水基
亲油基
CH3(CH2)n
SO4Na
• 表面活性剂分子的结构特征决定了它是一种具有亲水亲油 性的两亲分子。它不仅能防止油水相排斥，消除油水之间 的界面，而且具有把两相连接起来的功能。 • 这种两亲性，使表面活性剂分子的一部分可以溶于水，而 另一部分易于脱离水。表面活性剂分子在其水溶液中很容 易被吸附于气-水（或油-水）界面上形成独特的定向排列 的单分子膜。正是由于表面活性剂在溶液表面（或油水界 面）定向吸附的这一特征，使得表面活性剂具有很多特有 的表面性能，能降低水的表面张力，改变固体表面的润湿 性，具有乳化、破乳、起泡、消泡、洗涤、分散于絮凝， 抗静电和润滑等多种功能。
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来自百度文库团化 • 三、表面活性剂在纳米技术的作用
2012-1-5
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一、表面活性剂的介绍
• 定义：表面活性剂是一种具有亲水亲油结构并具有降低表 面张力，减小表面能，能对溶液进行乳化、润湿、成膜等 功能的有机化合物。英文名为Surfactant或Surface Active Agent，英文缩写SAA。 • 分类：根据亲水基的性质分为， • 阴离子表面活性剂（亲水基为阴离子）； • 阳离子表面活性剂； • 两性离子表面活性剂； • 非离子表面活性剂。
3.控制纳米材料结构 控制纳米材料结构
• 表面活性剂分子的两亲性结构特点决定表面活性剂分子在 溶液表面能形成分子定向排列，利用表面活性剂这一特性 可以选择特定结构的表面活性剂，设计特殊的制备方法， 得到理想的纳米结构材料。例如，采用高分子表面活性剂 的可聚合单体在溶液中形成定向排列，然后引发聚合，就 可以得到与原始胶团结构一样的纳米结构材料。这一方法 被应用于药物载体或包覆膜的合成中，如脂质体的制备、 核壳药物载体的制备等。
• 表面活性剂的两亲性还表现为当表面活性剂在溶液中超 过某一特定浓度时（界面吸附达饱和）可通过碳氢链的 疏水作用或“疏水效应”缔合成胶团，溶液性质随之发 生突变。缔合作用自发进行且具有可逆性，由于胶团与 介质间不存在界面，这种缔合胶体是热力学上的稳定体 系，与一般的胶体有着本质的区别。
• 在水溶液中，表面活性剂形成胶束为正胶团，亲油基朝里， 亲水基朝外；在油溶液中，表面活性剂形成胶束为反胶团， 亲油基朝外，亲水基朝里,下图为反胶团。
• 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。
2.改善纳米微粒表面性能 改善纳米微粒表面性能
由于纳米材料表面效应的作用，纳米粉体表面有很多电荷或 官能团，其表面能很高，这些特点决定了纳米粉体微粒表面 能倾向于变小而出现团聚的特点。 表面活性剂亲水基团对固体的吸附性和化学反应活性及其降 低表面张力的特点可以控制纳米颗粒的亲水性或亲油性、表 面活性，同时对纳米微粒表面进行改性：一是亲水基团与表 面基团结合生成新的结构，赋予纳米颗粒表面新的活性；二 是降低纳米微粒表面能，使纳米微粒处于稳定状态；三是表 面活性剂的长尾端在微粒表面形成空间位阻，防止纳米微粒 的再团聚，由此改善纳米粉体在不同介质中的分散性、纳米 离子表面反应性、纳米离子表面结构等。