纳米粒子的团聚形成机理及分散方法
试述纳米粉体制备过程中粒子的团聚及控制方法
试述纳米粉体制备过程中粒子的团聚及控制方法1. 纳米粉体制备过程中粒子的团聚现象是指纳米粉体在制备过程中粒子之间相互吸引而形成的团块或聚集体。
2. 粒子团聚的主要原因是静电作用、范德华力、表面能及溶剂挥发等因素的影响，使粒子间发生相互吸引。
3. 粒子团聚对纳米材料性能的均匀性和稳定性产生不良影响，因此需要进行控制和消除。
4. 控制粒子团聚的方法之一是通过表面改性，如采用表面修饰剂对粒子进行包覆以增加粒子间的排斥力，从而减少团聚现象的发生。
5. 表面改性剂可以选择有机物、无机物等多种材料，通过吸附在粒子表面形成稳定的层以增加粒子间的隔离。
6. 表面改性剂的选择应考虑其与纳米粉体相容性的问题，以及对纳米粉体性能的影响。
7. 另一种控制纳米粉体团聚的方法是通过超声处理，超声波的作用力可以破坏粒子团聚，使之重新分散。
8. 超声波通过其高频振动和剪切力对粒子进行分散，从而有效地消除团聚现象。
9. 超声波处理时间和功率的选择需要根据具体纳米粉体的特性和制备条件来确定。
10. 在纳米粉体制备中，还可以通过添加稳定剂来控制粒子团聚。
11. 稳定剂的作用是通过与粒子表面发生相互作用，减少粒子间的吸引力。
12. 稳定剂可以选择阳离子型、阴离子型或非离子型等多种类型，具体选择需要根据纳米粉体的性质和要求来确定。
13. 在纳米粉体制备过程中，可以采用液固分离的方法来分离粒子团聚。
14. 液固分离是通过减小溶液中的中间质量浓度，使团聚体流失到液相中，从而实现团聚的去除。
15. 液固分离的方法主要包括离心、过滤和沉淀等，具体选择需要根据纳米粉体的性质和要求来确定。
16. 控制纳米粉体团聚还可以采用电场和磁场等外界力场的作用。
17. 电场作用可以通过施加外电压或使用电磁场来实现，在外电场的作用下，粒子间的相互作用力会发生变化，从而减少团聚现象。
18. 磁场作用可以通过外加磁场的作用下，使纳米粒子带上磁性，利用磁场的作用力来分散和控制纳米粉体的团聚。
纳米颗粒团聚双峰分布机制研究
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本 原 因 ，纳 米颗 粒 悬 浊 液中 起 伏 和 Ｂｏ ｎ运 动 及 热 运 动 是 产 生 双 峰 现 象 的 重要 条 ｒｗ
件 ；在 纳米 颗粒 团 聚 过程 中存在 软 团 聚 和硬 团 聚 ２种 团 聚形 式 。
关 键词 ：纳米 颗 粒 ； 团聚 ；双峰 分 布 中 图分 类 号 ：Ｔ １７ 文 献 标识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ５ ０ ５ （０ ７ ｌ ０ １ ４ Ｈ１ ２４— ｌ０ ２０ ） ２— ０ —
维普资讯
２０ ０７年 ｌ ２月 第３ ２卷 第 ｌ ２期
润滑与密封
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纳 米 颗 粒 团聚 双 峰 分布 机 制研 究
刘洪涛
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纳米材料分散的综述
纳米材料分散的综述一、纳米材料简介纳米材料是指尺寸在纳米级别的材料，具有优异的物理、化学和机械性能。
由于其独特的性质，纳米材料在能源、环保、医疗、信息技术等领域具有广泛的应用前景。
二、纳米材料制备方法纳米材料的制备方法多种多样，主要包括物理法、化学法以及生物法。
物理法包括机械球磨法、真空蒸发法等；化学法包括溶液法、气相法等；生物法则利用生物分子的自我组装和生物模板法。
不同的制备方法适用于不同类型的纳米材料，且具有各自的优势和局限性。
三、纳米材料的应用领域纳米材料因其优异的性能被广泛应用于以下领域：1.能源领域：太阳能电池、燃料电池、储能电池等；2.环保领域：空气净化器、水处理设备等；3.医疗领域：药物输送、生物成像、癌症治疗等；4.信息技术领域：电子器件、量子计算等。
四、纳米材料的分散技术纳米材料的分散技术是实现其应用的关键。
纳米材料由于其高比表面积和表面能，容易发生团聚，因此需要对其进行分散。
分散技术可分为物理分散和化学分散。
物理分散包括机械搅拌、超声波分散等；化学分散则是利用表面活性剂或偶联剂进行分散。
五、纳米材料分散的物理化学原理纳米材料分散的物理化学原理主要包括表面能作用、静电力作用和空间位阻作用。
表面能作用是纳米材料分散的主要驱动力，静电力作用则是在带电纳米粒子间的相互作用，空间位阻作用则是利用高分子物质对纳米粒子进行稳定分散。
六、纳米材料分散的方法与技术纳米材料分散的方法与技术主要包括以下几种：1.机械搅拌分散：通过机械搅拌的方式将纳米材料分散在溶剂中，可加入适量的表面活性剂或分散剂以增强分散效果。
2.超声波分散：利用超声波的振动能将纳米材料打散在溶剂中，可有效破解团聚现象。
3.化学分散：利用化学反应改变纳米材料的表面性质，如通过偶联剂对纳米材料进行改性，使其具有更好的分散稳定性。
4.溶剂热法：在高温高压条件下，利用溶剂的性质将纳米材料溶解分散在溶剂中。
此方法可用于制备一些具有特殊性质的纳米材料。
纳米粒子发生团聚的原因及控制方法
纳米粒子发生团聚的原因及控制方法
纳米粒子是一种特殊的物质，其尺寸通常在1-100纳米之间。
由于其尺寸和表面特性的独特性质，纳米粒子被广泛应用于药物传递、生物成像、催化剂等领域。
然而，纳米粒子会因为吸附、电荷、范德华力等因素而发生团聚，降低其应用效果和安全性。
因此，控制纳米粒子的团聚是一个重要的问题。
本文将介绍纳米粒子发生团聚的原因，以及控制纳米粒子团聚的方法。
一、纳米粒子发生团聚的原因
1.吸附力：纳米粒子表面可能会吸附空气中的分子、离子、蛋白质等物质，导致纳米粒子之间产生吸附力，从而发生团聚。
2.电荷：纳米粒子表面的电荷会影响其稳定性。
当纳米粒子表面带有相同的电荷时，会产生相互排斥的力量，使纳米粒子分散。
反之，如果表面带有不同的电荷，会产生相互吸引的力量，使纳米粒子团聚。
3.范德华力：范德华力是物质之间的一种引力，它与距离的平方成反比。
当纳米粒子之间的距离很近时，会产生范德华力，使纳米粒子聚集在一起。
二、控制纳米粒子团聚的方法
1.表面修饰：通过在纳米粒子表面引入不同的化学官能团，可以改变其表面电荷，从而调节表面吸附和排斥力，控制其稳定性。
2.添加分散剂：分散剂可以在纳米粒子表面形成包覆层，防止纳米粒子之间产生范德华力和吸附力，从而防止团聚。
3.控制环境参数：环境参数如温度、pH值等可以影响纳米粒子
表面电荷，从而控制其稳定性。
4.离子强度调节：适当调节溶液中的离子强度，可以改变纳米粒子表面电荷，从而控制其稳定性。
总之，控制纳米粒子的团聚是纳米材料研究中的一个重要问题，需要综合运用表面修饰、分散剂、环境参数和离子强度等多种方法来解决。
纳米颗粒团聚的原因及解决措施
纳米颗粒团聚的原因及解决措施摘要:分析了纳米颗粒团聚的影响因素及形成机理,指出了纳米颗粒的形成原因分别讨论了在气体介质和液体介质两种环境中纳米颗粒团聚的控制方法,并对几种特殊的团聚控制方法进行了重点探讨。
关键词:纳米颗粒;团聚;形成机理;控制方法1 引言团聚现象是纳米粉体制备及收集过程中的一个难题,目前已经得到了越来越多有关人士的重视。
纳米颗粒由于粒度小,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[1],因而很容易凝并、团聚,形成二次粒子,使粒子粒径变大,失去纳米颗粒所具备的特性,给纳米粉体的制备和保存带来了很大困难。
在当今的纳米粉体制备工艺中,防止粒子团聚作为一项重要工作,其目的就是收集粒度分布范围窄、分布均匀且无团聚大颗粒出现的高纯粉体。
颗粒的团聚可分为两种:软团聚和硬团聚[2]。
软团聚主要是由颗粒间的静电力和范德华力所致,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;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。
2 纳米颗粒团聚的形成机理纳米粒子具有特殊的表面结构,其表面缺少邻近配位原子,具有很高的活性,因而很容易发生团聚。
颗粒团聚程度可以用团聚系数AF(50)表示：AF(50)=中等尺寸团聚体的直径/微粒的平均当量直径式中,中等尺寸团聚体的直径即为在粒度分析中50%累计质量的直径。
分析上式可知,团聚系数越大,表示粉体的团聚现象越严重。
一般情况下,未经特殊处理的超细粉末在水中的团聚系数的值在30左右。
研究发现,造成纳米颗粒团聚的因素很多,归纳起来主要包括以下几个方面:①颗粒细化到纳米量级以后,其表面积累了大量的正电荷或负电荷,颗粒形状极不规则造成表面电荷的聚集,使粒子极不稳定,因而易发生团聚;②纳米颗粒的表面积大,表面能高,处于能量的不稳定状态,很容易发生聚集而达到稳定状态;③纳米颗粒之间的距离极短,相互间的范德华引力远大于自身的重力,因此往往相互吸引而发生团聚;④纳米颗粒之间表面的氢键、化学键的作用也易导致粒子之间的互相吸附而发生团聚[3]。
纳米颗粒团聚的原因及解决措施
2.2.1表面活性剂表面活性剂是由亲油基和亲水基两部分组成，是双亲分子，包括长链脂肪酸、十六烷基三甲基溴化铵等，该类分散剂的作用主要是空间位阻效应，亲水基吸附在粉体表面，疏水链伸向溶剂中。
1.2布朗运动
颗粒与溶剂的碰撞使得颗粒具有与周围颗粒相同的动能，因此小颗粒运动得快，纳米小颗粒在做布朗运动时彼此会经常碰撞到，由于吸引作用，它们会连接在一起，形成二次颗粒。二次颗粒较单一颗粒运动的速度慢，但仍有机会与其他颗粒发生碰撞，进而形成更大的团聚体，直到大到无法运动而沉降下来。
1.3范德华力和氢键的影响悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德华力的作用，很容易发生团聚。范德华力与颗粒直径成反比，纳米颗粒由于尺寸小，因而具有较强的范德华力作用。常见的纳米颗粒如SiO2颗粒是由刚性、实心、极细的球状颗粒组成，生成时众多颗粒熔结在一起，形状很不规则，且纳米SiO2分子表面有很多的-OH，水分子很容易和表面的-OH生成氢键，具有亲水的强极性表面，它们之间由于氢键和范德华力的吸引而容易生成集结群，受力后易分开，但很容易再集结。
2.1物理分散方法物理分散方法常用的有机械分散法和超声分散法。机械法主要是利用机械应力作用有目的地对粒子表面进行激活以改变其表面晶体结构和物理化学性质，而超声分散法是近年来研究的热点领域。利用超声波可以有效地将纳米颗粒的软团聚打开，粉体由于强烈的冲击、剪切、研磨后以更为均匀的小的团聚体分散在介质中。超声时间对颗粒的分散性影响较大，他们把超声时间从0.5s增加到1s，颗粒在介质中的分散性明显改善，团聚体体积变小且分布更趋均匀，但超声时间过长时，纳米颗粒的团聚现象反而加剧，这主要由于超声波能量较高，颗粒表面形成了许多高活性点，颗粒间碰撞的机率增加，容易形成新的团聚体，因此分散性反而变差。
3.3纳米粉体的团聚
烧分解完全的基础上，温度越低、时间
越短越好。目前最先进的煅烧方式是悬 态锻烧, 该方法可使粉体煅烧瞬间完成-。7-
① 分散剂
• 分散剂的种类很多，有高分子有机物，如聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸铵、N， N一二甲基甲酰铵(DⅫ)、蔗糖等，此外还有表面活性剂以及一些络合物。
• 它们在溶液中主要通过3个作用来抑制团聚： 1．是通过吸附作用来降低界面的表面张力； 2．是通过胶团体作用，在颗粒的表面形成一层液膜，以阻止颗粒的相互靠 近； 3．是利用空间位阻
引而发生团聚。
4。纳米颗粒之间表面氢键、化学键的作用导致纳米粒子之间的相互吸引而发生团聚,
颗粒越细团聚就越强烈。
根据粒子彼此间相互吸附力的大小
软团聚：
由范德华力和库仑力所引起的,可以通过一些化学作 用或施加机械能的方式加以消除。
除了有范德华力和库仑力的作用,还存在化学键作用力,
硬团聚： 因此硬团聚在材料加工过程中不易破坏,会导致材料
包覆的方法通常会引入杂质，所以需选择合适的分散剂来实 现稳定分散
典型例子2： SiO2包覆：
③ 超声波法
声波的频率范围：20Hz～20kHz。 超声波是指振动频率大于20kHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，
超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波 超声波具有超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束
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：
式中：---总作用能；
VT VA VR VS VST
---范德华作用能；
---双电层作用能；
---溶剂化膜作用能；
---空间排斥作用能。
纳米粉体的分散
纳米粉体为何需要分散？ 纳米粉体为何需要分散？
纳米颗粒由于粒径小, 纳米颗粒由于粒径小 表面原子比例 比表面大, 表面能大, 大, 比表面大 表面能大 处于能量不稳定 因此很容易团聚导致颗粒增大. 状态 , 因此很容易团聚导致颗粒增大
团聚机理
硬团聚：在强的作用力（化学键力） 硬团聚：在强的作用力（化学键力） 下使颗粒团聚在一起， 下使颗粒团聚在一起，不能用机械 的方法分开 软团聚： 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， 德华力作用引学改性一般在高速加热混合 机或捏合机、流态化床、研磨机等设备 机或捏合机、流态化床、 中进行
影响化学改性的主要因素有: 影响化学改性的主要因素有:
①颗粒的表面性质, 如表面官能团的类 型、表面酸碱性、水分含量、比表面积等; ②表面改性剂的种类、用量及方法; ③ 工艺设备及操作条件, 如设备性 能、物料的运动状态或机械对物料的作用方 式、反应温度和反应时间等
防止团聚的措施——分散 分散 防止团聚的措施
• 对于软团聚 可以通过搅拌的方式减少颗粒 对于软团聚, 长大, 长大 强烈的搅拌可以把较大晶核打碎形成 多个细小晶核,使成核速率大于晶核长大速 多个细小晶核 使成核速率大于晶核长大速 率, 从而形成较细小的颗粒 • 加表面活性剂、有机溶剂洗涤、共沸蒸馏、 加表面活性剂、有机溶剂洗涤、共沸蒸馏、 冷冻干燥等几种方法,主要是除去凝胶中自 冷冻干燥等几种方法 主要是除去凝胶中自 由水以及表面羟基的措施, 由水以及表面羟基的措施 对于硬团聚的防 止比较有效
其他防止团聚体产生的措施
•有机溶剂洗涤 有机屋的表面张力小，降低非架桥枪羟基数量 •冷冻干燥法 冷冻干燥在低温、负压条件下, 自由水冻成冰时,其体积 膨胀, 使彼此靠近的凝胶粒子分开, 然后水由固相直接升成 气体, 因而避免了“液桥”引起的严重团聚现象. •共沸蒸馏
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纳米粒子的团聚形成机理及分散方法
1 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，使粒子粒径变大。
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。
2 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。
2.1 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。
如果吸附作用大于排斥作用，颗粒团聚；反之，颗粒则分散。
2.2 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。
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、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。
3 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。
3.1 制备过程中纳米粉体团聚的解决方法
3.1.1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。
通过改性可以大大减少纳米颗粒之间的团聚。
目前，纳米粉体表面改性的方法很多，主要有包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学改性、机械化学改性、高能处理改性、胶囊化改性、微乳化改性等等。
3.1.2控制pH值
根据制备纳米颗粒的不同，控制不同的pH值。
例如：在ZrO2超细粉制备过程中pH值控制在9-11为宜；并且对溶液进行强力搅拌可提高析出凝胶的均匀性，减少团聚的产生。
3.1.3颗粒表面形成双电层
液体中的颗粒表面因离子的选择性溶解、选择性吸附或同晶置换而带电，反号离子通过静电吸引作用在颗粒周围的液体中扩散分布形成双电层。
通过双电层之间库伦排斥作用使纳米粒子之间发生团聚的引力大大降低，从而有效地防止纳米颗粒的团聚，达到纳米颗粒分散的目的。
3.1.4物理法分散
机械力分散通常被认为是最简单的物理分散方法，它是借助外界剪切力或撞击力能使纳米粒子在介质中分散的一中方法。
在机械搅拌下纳米粒子的特殊表面结构容易产生化学反应，形成有机化合物枝链或保护层，使得纳米粒子更易分散。
超声波分散是降低纳米粒子团聚的有效方法。
主要是基于超声波的特殊分散性能。
超声波是频率范围在20~106kHz的机械波，其波速一般约为1500m/s，波长为10~0.01 cm。
显然，超声波的波长远大于分子尺寸，说明超声波本身不能直接对分子产生作用，而是通过对分子周围环境的物理作用影响分子的，也即是利用超声空化作用所产生的冲击波和微射流所具有的粉粹作用，达到分散微粒的目的。
该技术目前普遍用于液相制备纳米粉体的方法中，尤其是溶胶-凝胶法。
3.1.5采用适当洗涤方法
在沉淀物中的水是引起纳米粒团聚的因素之一，因此采用适当的洗涤方法将沉淀物中的水洗去是防止纳米粒子团聚的主要方法。
首选用的物质是低沸点的有机物。
3.1.6采用适当干燥、煅烧方式
实验证明，在保证沉淀物干燥完全、煅烧分解完全的基础上，温度越低、时间越短越好。
目前常采用的干燥方式有以下几种方式：闪蒸、冷冻干燥、超临界干燥、喷雾干燥、真空干燥等方式。
目前最先进的煅烧方式是悬态锻烧, 该方法可使粉体煅烧瞬间完成。
3.2储运过程中纳米粉体团聚的解决方法
3.2.1钝化处理
所谓的钝化处理，就是对刚制备出来的纳米粉体在接触大气之前先进行表面慢氧化处
理，经过这样处理的纳米粉体表面可形成一层氧化膜，颗粒的稳定性大大提高，可以很方便在空气中储运和应用。
3.2.2防聚结处理
通常是将采用少量的添加剂掺杂在纳米粉体中。
这样可在纳米粉体表面产生强吸附或化学亲和作用，又在阻碍纳米粒子对水的吸附，使纳米粒子表面不能形成完整的水膜，颗粒间的盐桥消失，从而抑制纳米粒子的聚结。
常用防聚结处理的添加剂有：抗静电剂、润滑剂、防潮剂、表面活性剂、偶联剂等。
3.2.3溶剂储存
使用各种溶剂对纳米粉体进行保护是一种有效的储运方法。
根据客户不同的使用要求可选用不同的化学溶剂（如水、苯、二甲苯、丙酮或醇类等）配成不同浓度的稳定的纳米浆液，以此来保持颗粒间良好的分散性和均匀性，延缓或避免颗粒之间的团聚。
3.2.4加强储运管理
在纳米粉体的储运过程中，要严格按照其运输管理等规章制度来执行。
纳米粉体应储存在避光、干燥、阴凉的地方，堆放时要做到包装之间没有挤压力，而且纳米粉体堆放时间不易过长，最好是按照订单生产，运输过程中要防止雨淋、受潮，在整个储运过程中应有专人专管。
3.3使用过程中纳米粉体团聚的解决方法
使用过程采用最好方法是直接成材。
所谓直接成材就是将新制备出来的纳米粉体不经取出，就制成所希望的形状。
这样可解决许多储运技术方面的难题，而且可以开拓适合于纳米粉体特长的应用领域。