纳米粒子的团聚形成机理及分散方法

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1、纳米粒子的团聚形成机理及分散方法纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子。纳米粉体具有的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，使得它表现出强吸光能力、高活性、高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等特殊理化性能[1]；使它具备独特的力学、光、热、电、磁、吸附、气敏等性质[2]。在传统材料中加入纳米粉体将大大改善其性能或带来意想不到的性质。目前已用于纳米固体的压制、纳米涂层、环境保护以及纳米粒子光催化上。纳米材料科学及工业应用已成为国内外跨新世纪研究开发热点，并开拓发展成为高技术产业，在电子、化工、机械、生物医学等工业领域内，具

2、有日益广泛发展的应用前景。随着纳米科技的发展，制备纳米粉体的方法越来越多。在制备纳米粉体过程中，存在的最大问题就是纳米颗粒的团聚，这也是当今纳米技术领域内的一个普遍关心、亟待解决的一个难题。控制纳米颗粒团聚已成为制备纳米颗粒的一项关键技术，所以很有必要对纳米颗粒团聚现象进行深入研究。2团聚分类所谓纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。由于团聚颗粒粒度小，表面原子比例大，比表面积大，表面能大，处于能量不稳定状态，因而细微的颗粒都趋向于聚集在一起，很容易团聚，形成团聚状的二次颗粒，乃至三次颗粒，使粒子粒径变

3、大，在每个颗粒内部有细小孔隙。纳米颗粒的团聚一般分为两种：软团聚和硬团聚。对于软团聚机理，人们的看法比较一致，即，软团聚是由纳米粉体表面分子或原子之间的范德华力和静电引力所致，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。对于硬团聚，不同化学组成不同制备方法有不同的团聚机理，无法用统一的理论来解释。因此需要采取一些特殊的方法来对其进行控制。3纳米颗粒团聚的形成机理颗粒细化到纳米级后，其表面积累了大量的正、负电荷，纳米颗粒的形状极不规则，这样造成了电荷的聚集。纳米颗粒表面原子比例随着纳米粒径的降低而迅速增加，当降至1nm时，表面原子比例高达90%，原子几乎全部集

4、中到颗粒表面，处于高度活化状态，导致表面原子配位数不足和高表面能[8]。纳米颗粒具有很高的化学活性，表现出强烈的表面效应，很容易发生聚集而达到稳定状态，从而团聚发生[9]。3.1纳米颗粒在液体介质中的团聚机理液体介质中超细颗粒团聚的主要原因是吸附和排斥共同作用的结果[10]。吸附作用有以下几个方面[11]：量子隧道效应、电荷转移和界面原子的相互耦合产生的吸附；超细颗粒分子力、氢键、静电作用产生的吸附；超细颗粒间的比较面积大，极易吸附气体介质或与其作用产生吸附；超细粒子具有极高的表面能和较大的接触面，使晶粒生长的速度加快，从而粒子间易发生吸附。在存在吸附作用的同时，同样有排斥作

5、用，主要有粒子表面产生溶剂化膜作用、双电层静电作用、聚合物吸附层的空间保护作用。这几种作用的总和使颗粒趋于分散。如果吸附作用大于排斥作用，颗粒团聚；反之，颗粒则分散。关于在液体介质中颗粒团聚的机理目前还没有一个统一的说法。颜恒维等在DLVO理论[12]上做出了进一步研究，在考虑到范德华能和双电层作用能的同时，也把颗粒间作用与环境介质性质、颗粒表面性质以及颗粒表面吸附层的成分、覆盖率、吸附强度等因素一并考虑在内，其总势能可以用下式表示：VT=VA+VR+VS+VST式中：VT---总作用能；VA---范德华作用能；VR---双电层作用能；VS---溶剂化膜作用能；VST---空

6、间排斥作用能。3.2干燥过程中团聚颗粒团聚的机理干燥过程可看作固液分离过程，目前有代表性的理论有：晶桥理论，毛细管力吸附理论，氢键作用理论和化学键作用理论[13]。实际上，单一的理论很难解释团聚形成的机理，必须综合目前的理论，具体实验具体分析。在制各超细氧化铝的实验[14]中已经表明：粉体的一次颗粒团聚成二次颗形成硬团聚的机理在于：在制备粉体的过程中，湿凝胶的脱水干燥，煅烧过程是引起粉体中硬团聚形成的主要原因。胶体进入干燥阶段，不同的干燥方法也会产生不同的团聚效果。纳米颗粒的团聚与分散取决于其形态和表面结构等，而纳米颗粒的形态和表面结构又与其内部结构、杂质、表面吸附和化学反应

7、、制备工艺、环境状态等诸多因素有关，因而导致了纳米粉体团聚与分散机制的复杂性和多样性。4纳米颗粒团聚分散方法纳米颗粒团聚分散就是采用一定的手段获得粒子细小、粒径分布窄、分散性好的颗粒。目前就团聚的分散有多种分类。常用的分散方法有物理的和化学的方法，制备、储运、使用过程中纳米颗粒分散方法等分类。4.1制备过程中纳米粉体团聚的解决方法4.1.1表面改性采用物理和化学方法对纳米颗粒进行表面处理，有目的地改变其表面物理化学性质，称为表面改性。其目的是变相降低纳米粉体颗粒的表面能，提高纳米粉体的稳定性。通过改性可