纳米颗粒分散技术的研究与发展

化工进展

CHEM I CAL I NDUSTRY AND ENG I NEER I NG PROGRESS

纳米颗粒分散技术的研究与发展

宋晓岚!王海波!吴雪兰!曲!鹏!邱冠周

中南大学资源加工与生物工程学院无机材料系长沙41008S

摘!要!分析了纳米颗粒团聚形成的原因!阐述了研究纳米颗粒分散的意义!着重介绍了物理分散和化学分散技术研究进展!指出纳米颗粒分散技术的发展方向是设计高效分散机械!以提高有效分散体积和能量利用率"合成性能优异的超分散剂及研究不同的混合分散剂!以提高分散后的粒子稳定性!最终提高分散效果"加强纳米颗粒分散的基础理论研究及其与其他学科融合交叉!为纳米颗粒分散及分散剂的选择提供理论指导!并开发新的适合纳米材料制备的新工艺#

关键词!纳米颗粒!团聚!分散技术!研究与发展

中图分类号!TB S8S文献标识码!A文章编号!1000661S Z00501004706 Research and d evelo p m ent of d is p ers ion techni

Son g X iaol an W an g Haibo W u Xuel an@u pen g@iu g uanzhou

D e p art m ent of Inor g anic M aterials S chool of Resources P rocessi n g and B i oen g i neeri n g

C entral S out h Uni versit y Chan g sha41008S

Abs tract!T he causes of a gg l o m erati on i n nano p articles w ere anal y Zed and t he si g nificati ons of dis p ersi on of nano p articles w ere ex p ounded.P resent research stat us and devel o p m ent on tech-ni C ue of dis p ersi on usi n g che m ical or p h y sics m et hods are revi e w ed.T he m ai n devel o p m ent trend of dis p ersi on techni C ue f or nano p articles is t o desi g n eff ecti ve dis p erse m achi nes which t o en-hance t he vol u m e of dis p ersi on on nano p articles and usi n g rate of ener gy s y nt hesis so m e ex-celled dis p ersants and research on diff erent m i xdis p ersants which t o enhance t he stabilit y of dis-p ersed nano p articles and t he fi nall y dis p erse eff ect m ake m ore f urt her st udi es on basic t heori es of dis p ersi on on nano p articles and t he i nter ect w it h ot her sub ects of which t he p ur p ose is t o g i ve so m e directi on on t he dis p ersi on of nano p articles and t he select of diff erent dis p ersants and ex p l oit so m e ne w l y techni C ues fitti n g nano p article m ateri als.

K e y words!nano p articles a gg l o m erati on dis p ersed m et hods and techni C ue research and devel-o p m ent

!!纳米颗粒指特征维度尺寸在1～100n m范围介于块状物体与原子分子之间的固体颗粒因其体积效应和表面效应而在磁性电性催化性能吸附性能光吸收热阻等方面呈现出特异的性能从而受到人们的极大关注1但由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的表面能在制备和使用过程中极易发生粒子团聚形成二次粒子使粒径变大从而大大影响纳米颗粒发挥优势失去纳米颗粒所具备的功能Z因此如何改善纳米颗粒在液相介质中的分散和稳定性成为十分重要的研究课题本文从纳米颗粒团聚体形成的原因出发综述了纳米颗粒分散技术研究意义及其研究现状并对

其发展趋势作了进一步的展望以期对纳米颗粒在各领域的应用有所助益

1!纳米颗粒团聚形成原因

纳米颗粒的团聚可分为两种软团聚和硬团聚S软团聚主要是由颗粒间的静电力和范德华力

收稿日期!Z0040718修改稿日期!Z0040910

基金项目!湖南省自然科学基金项目资助0SJJ Y S015及国家自然科学基金项目资助599Z541Z

第一作者简介!宋晓岚1964女副教授从事纳米颗粒化学合成及无机功能材料研究电话07S18877Z0S E m ail xlson g ＠

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!!""#年第!$卷第%期

所致由于作用力较弱可以通过一些化学作用或施加机械能的方式来消除硬团聚形成的原因除了静电力和范德华力之外还存在化学键作用因此硬团聚体不易破坏需要采取一些特殊的方法进行控制在制备纳米颗粒的过程中如果未采用分散措施颗粒团聚将很严重不能达到纳米粉末的基本要求实现不了纳米粉末的特殊功能因此研究纳米颗粒的团聚控制对纳米粉末制备极为重要引起纳米颗粒团聚的原因很多归纳起来主要是由于纳米颗粒所具有的特殊的表面结构在粒子间存在着有别于常规粒子颗粒间的作用能纳米作用能F

n

纳米作用能是纳米颗粒易团聚的内在因素要得到分散性好粒径小粒径分布窄的纳米颗粒必须削弱或减小纳米作用能采取适当方法对纳米颗粒进行分散处理时纳米颗粒表面产

生溶剂化膜作用能F

s 双电层静电作用能F

r

聚合物吸附层的空间保护作用能F

p

等在一定体系里纳米颗粒应是处于这几种作用能的平衡状态

当F

n"F s+F r+F p 时纳米颗粒易团聚当F

n#

F s+F r+F p时纳米颗粒易分散[4]另外分子间力静电作用活性高的化学键如氢键通常也是引起纳米颗粒团聚的重要因素在纳米粒子中小尺寸效应和表面效应表现得更为强烈[5]由于纳米颗粒的量子隧道效应电荷转移和界面原子的相互耦合使纳米颗粒极易通过界面发生相互作用和固相反应而团聚因其极高的表面能和较大的接触界面使晶粒生长的速度加快因而颗粒尺寸很难保持不变[6]有些纳米粒子如C aCO

S

由于水解作用表面呈较强的碱性羟基性或配位水分子它们可通过羟基和配位水分子缩合生成硬团聚显然防止纳米颗粒团聚获得分散性好的纳米粒子是目前该领域亟待解决的问题之一[7]

Z!纳米颗粒分散技术的研究进展颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘学科是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程通常包括分为三个阶段=d液体润湿固体粒子i通过外界作用力使较大的聚集体分散为较小的颗粒＠稳定分散粒子保证粉体颗粒在液相中保持长期均匀分散防止已分散的粒子重新聚集[89]根据分散方法的不同可分为物理分散和化学分散

2.1!物理分散

物理分散方法主要有三种=机械搅拌分散超声波分散和高能处理法分散[10]

机械搅拌分散是一种简单的物理分散主要是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事实上这是一个非常复杂的分散过程是通过对分散体系施加机械力而引起体系内物质的物理化学性质变化以及伴随的一系列化学反应来达到分散目的这种特殊的现象称之为机械化学效应机械搅拌分散的具体形式有研磨分散胶体磨分散球磨分散高速搅拌等在机械搅拌下纳米颗粒的特殊表面结构容易产生化学反应形成有机化合物支链或保护层使纳米颗粒更易分散高效分散机的研制也是目前的一个热点例如郑州大学研制的一种新型多级多层环形梳状齿高剪切均质分散机该设备均质分散效率高能耗低质量轻体积小占地面积少结构简单采用模块化设计与制造可用最少零部件组装成系列产品提高了零部件的标准化率和通用性使制造成本大幅度降低黏度适应范围很广可高达10 Pa s该设备可广泛用于涂料化工化妆品及饮料食品和医药等行业中悬浮液的均质分散超声波分散是降低纳米颗粒团聚的有效方法其作用机理认为与空化作用有关利用超声空化产生的局部高温高压或强冲击波和微射流等可较大幅度地弱化纳米颗粒间的纳米作用能有效地防止纳米颗粒团聚而使之充分分散超声波对化合物的合成聚合物的降解颗粒物质的分散具有重要作用纳米C r S i

Z

粒子平均粒径10n m加入到丙

烯腈苯乙烯共聚物的四氢呋喃溶液中经超声分散可得到包覆高分子材料的纳米晶体[11]具有平

均粒度为100n m的B aSO

4

水悬浮液在超声分散时其最大分散作用的超声频率为960～1600 k H Z粒度增加其频率相应降低[1Z]S akka

等[1S]研究了Z0k H Z超声频率下2r O

Z A l Z O S

浆料的黏度随超声时间的变化结果表明经过超声作用浆料黏度明显下降且超声功率越大黏度越低即较大的功率可更有效地破坏颗粒间的团聚但超声波分散时应避免超声时间过久而导致的过热因为随着温度的升高颗粒碰撞的概率也增加反而会进一步加剧团聚[14]因此应选择适宜的超声分散时间

高能处理法是通过高能粒子作用在纳米颗粒表面产生活性点增加表面活性使其易与其他物质发生化学反应或附着对纳米颗粒表面改性而达到易分散的目的高能粒子包括电晕紫外光微

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