第三章 纳米粉体的分散
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纳米粉体的分散课件
在塑料中的应用
总结词
改善塑料的力学性能和加工性能
详细描述
纳米粉体可以提高塑料的强度、韧性、耐热性和阻隔性能，改善塑料的加工流 动性和加工成型性，提高生产效率和产品质量。
在陶瓷中的应用
总结词
提高陶瓷的力学性能和热性能
详细描述
纳米粉体可以用于制备高性能陶瓷复合材料，提高陶瓷的硬度和强度，改善陶瓷的抗热震性能和高温性能。
分散工艺的优化问题
总结词
纳米粉体分散工艺需要不断优化，以提 高分散效率和分散稳定性。
VS
详细描述
纳米粉体的分散工艺涉及到多个因素，如 搅拌速度、时间、温度、粉体粒度等。为 了获得更好的分散效果，需要不断优化这 些工艺参数，以提高纳米粉体的分散效率 和稳定性。此外，还需要研究和开发新的 分散技术和设备，以适应不同类型和性质 的纳米粉体。
表面活性
纳米粉体的表面原子比例较高， 表面活性较强，容易与其他物质 发生反应或吸附。
纳米粉体的应用领域
医药领域
纳米粉体可用于药物载体、药 物控释、生物成像等。
化妆品领域
纳米粉体可用于美白、防晒、 抗衰老等产品中，提高产品效 果和安全性。
环保领域
纳米粉体可用于水处理、空气 净化、重金属离子吸附等。
能源领域
纳米粉体可用于电池、燃料电 池、太阳能电池等能源器件中 ，提高能源利用效率和性能。
2023
PART 02
纳米粉体的分散技术
REPORTING
分散剂的种类与选择
天然高分子分散剂
如淀粉、纤维素等，具有良好的生物 相容性和环保性，适用于食品和化妆 品等领域。
合成高分子分散剂
如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯等， 具有较高的分散效率和稳定性，适用 于涂料、油墨和塑料等领域。
纳米粉体的分散技术与科学应用
纳米粉体的分散技术与科学应用
纳米粉体的分散技术是指将纳米粉体分散在稀释剂中，使其均匀分布的技术。
纳米粉体具有较高的表面能和表面积，很容易聚集成团，形成团聚体，降低了其特殊性能的发挥。
因此，纳米粉体分散技术对纳米粉体的应用非常关键。
纳米粉体的分散技术包括机械分散、超声波分散、化学分散、电化学分散等多种技术，常用的有高压均质机法、球磨法、强制对流分散法、凝胶燃烧合成法等。
纳米粉体的应用范围非常广泛，可应用于能源、环境、医疗、电子、机械等多个领域。
例如，在催化剂中广泛应用，能够改善催化过程的效率，提高反应产率和选择性；在材料领域中，纳米粉体的应用可以制备高强度、高硬度、高韧性的材料，具有很好的应用前景；在生物医药领域中，纳米粉体可以应用于制药、治疗、诊断等方面，如治疗癌症、制备荷瘤剂等。
总的来说，纳米粉体的分散技术对于纳米材料的应用具有非常重要的作用，有助于发挥其独特性能，进一步推动纳米材料的应用。
粉体的分散与表面能
粉体的表面现象
最大特点：具有大的比表面积和表面 能。
1、粉体颗粒表面表面的不饱和性 2、粉体颗粒表面表面的非均质性
粉体颗粒为何需要分散？
粉体颗粒由于粒径小, 表面原子比例大, 比表面大, 表面能大, 处于能量不稳定 状态 , 因此很容易团聚导致颗粒增大.
引起纳米粉体产生团聚的原因
1、材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了大量的 正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳定,它们互相 吸引,使颗粒团ຫໍສະໝຸດ ,此过程的主要作用力是静电库仑力。
分散
在空气中的分散方法
机械分散 干燥分散 颗粒表面改性分散 静电分散 复合分散
颗粒在液体中的分散
1、颗粒的浸润 2、颗粒团聚体在机械力作用下的解体和分
散 3、颗粒或较小的团聚体稳定，阻止进一步
发生团聚
固体在固液体系中的分散调控
介质调控 分散剂调控 机械调控 超声调控
无机电解质 高分子分散剂 表面 活性剂
2、材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能,从而使新生的 纳米颗粒表面具有相当高的表面能,粒子为了降低表面能,往往通 过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚。
3、当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短,颗粒之 间的范德华力远远大于颗粒自身的重力,颗粒往往互相吸引团聚。
4、由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作用,也易 导致粒子之间的互相黏附聚集。
END 谢谢，请多指教
最大特点：具有大的比表面积和表面 能。
1、粉体颗粒表面表面的不饱和性 2、粉体颗粒表面表面的非均质性
粉体颗粒为何需要分散？
粉体颗粒由于粒径小, 表面原子比例大, 比表面大, 表面能大, 处于能量不稳定 状态 , 因此很容易团聚导致颗粒增大.
引起纳米粉体产生团聚的原因
1、材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了大量的 正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳定,它们互相 吸引,使颗粒团ຫໍສະໝຸດ ,此过程的主要作用力是静电库仑力。
分散
在空气中的分散方法
机械分散 干燥分散 颗粒表面改性分散 静电分散 复合分散
颗粒在液体中的分散
1、颗粒的浸润 2、颗粒团聚体在机械力作用下的解体和分
散 3、颗粒或较小的团聚体稳定，阻止进一步
发生团聚
固体在固液体系中的分散调控
介质调控 分散剂调控 机械调控 超声调控
无机电解质 高分子分散剂 表面 活性剂
2、材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能,从而使新生的 纳米颗粒表面具有相当高的表面能,粒子为了降低表面能,往往通 过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚。
3、当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短,颗粒之 间的范德华力远远大于颗粒自身的重力,颗粒往往互相吸引团聚。
4、由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作用,也易 导致粒子之间的互相黏附聚集。
END 谢谢，请多指教
第三章 纳米粉体的分散
河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章温度温度是纳米粉体处理中一个十分重要的参数它不仅与干燥煅烧烧结等步骤有关而且与悬浮液的流变性质密切相关guo等人研究了聚丙烯酸铵分散氧化铝悬浮液中温度的影研究表明为了获得较好的分散效果以最低粘度为衡量标准随温度的升高所需分散剂的用量随之增加河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章纳米粉体的分散分散剂的优化河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章1聚电解质分散剂的优化聚电解质吸附在粉体表面对悬浮液的稳定作用主要是通过静电位阻效应起作用的因此聚合物分子结构对稳定性有较大影响研究具有更加有效分散性能的聚电解质已经成为研究热点目前有效的聚电解质是嵌段共聚物和接枝共聚这种共聚物是通过两种单体共聚反应而成河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章嵌段共聚物a和接枝共聚物b在固体表面的吸附丙烯酸铵丙烯酸甲酯共聚物分子结构研究表明m
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也 可能脱离超声场的共振相位而溃陷。
❖ 这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的 现象，就是空化作用
❖ 空化作用会产生局部的高温高压，并产生巨大的 冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能 被削弱，从而实现对纳米粉体的分散作用
采用电位滴定法确定离解度随pH的变化
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第三章 第3节
❖ 实验步骤
1、在聚合物酸溶液中加几滴HNO3，pH值调至2.5 2、加入KNO3电解质以维持其离子强度，用标准NaOH溶液
滴定至pH＝12.5，记录pH值随NaOH加入量的变化 3、滴定空白曲线：相同离子强度不含聚合物酸的溶液用相
δ0
ZrO2
pH值 ❖ 当pH<4时，聚丙烯酸（PAA）
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也 可能脱离超声场的共振相位而溃陷。
❖ 这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的 现象，就是空化作用
❖ 空化作用会产生局部的高温高压，并产生巨大的 冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能 被削弱，从而实现对纳米粉体的分散作用
采用电位滴定法确定离解度随pH的变化
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第三章 第3节
❖ 实验步骤
1、在聚合物酸溶液中加几滴HNO3，pH值调至2.5 2、加入KNO3电解质以维持其离子强度，用标准NaOH溶液
滴定至pH＝12.5，记录pH值随NaOH加入量的变化 3、滴定空白曲线：相同离子强度不含聚合物酸的溶液用相
δ0
ZrO2
pH值 ❖ 当pH<4时，聚丙烯酸（PAA）
【精品文章】纳米陶瓷粉体的物理分散方法
纳米陶瓷粉体的物理分散方法
与传统陶瓷相比，纳米陶瓷大幅度地提高了制品的性能，纳米粉体的引入及其分散技术显得尤为重要。
将纳米颗粒均匀分散或将纳米颗粒分散到微米陶瓷颗粒基体中制备成纳米陶瓷或纳米微米复相陶瓷材料，可以改善和提高材料的力学性能，同时也能降低陶瓷的烧结温度。
对于纳米陶瓷及纳米微米复相陶瓷材料，粉体的均匀分散是获得具有较好显微结构和性能的陶瓷制品的基础，纳米粉体的分散技术成为研究和制作纳米陶瓷材料的关键技术。
纳米陶瓷粉体的分散一般发生在液相之中，颗粒在液体中分散过程包括以下三个步骤：颗粒在液体中的润湿——颗粒团聚体在机械力作用下被分开成独立的原生粒子或较小的团聚体——将原生粒子或较小团聚体稳定，阻止再发生团聚。
固体颗粒在液相中的分散，本质上受固体颗粒与液相介质的润湿作用和在液相中颗粒间的相互作用两者所控制。
根据分散介质的不同，分散体系可分为水性体系和非水性体系。
纳米陶瓷或纳米微米复相陶瓷材料在制作过程中主要采用水性体系进行分散，是以水为分散介质的一种分散方法。
本文将向大家介绍纳米陶瓷粉体的物理分散方法的优缺点。
1、机械分散法
机械分散属于物理分散方法，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的一种方法。
机械分散法一般采用普通球磨、搅拌磨、行星磨和剪切式高速搅拌器等方式进行。
其中，普通球磨、研磨效率较低，常用于已分散的料浆经搁置后的二次。
纳米材料的化学特性
33
当粒子接触时，h＝0，随粒 子分离距离加大，h增大。 粒子之间存在位垒，粒子间 若要发生团聚，必须有足够 大的引力才可能使粒子越过 势垒。但由于磁引力和范德 瓦耳斯引力很难使粒子越过 势垒，因此磁性粒子不会团 聚。
34
The End
35
纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶剂
的性质以及溶液的性质有关。不同种类的纳米
微粒吸附性质也有很大的差别。
电解质和非电解质溶液以及溶液的pH值等都
对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。
4
1、非电解质的吸附
纳米材料在非电解 质上的吸附 通过氢键、范氏 作用力、偶极子的 弱静电引力吸附在 粒子表面，其中尤 以氢键为多。
max
0 可求出临界团聚浓度
（1）
16 k BT 04 1 Cr 2 2 4 2 N Ae A Z Z
式中， Z 为原子价，此关系式称为 SchulzeHardy定律。 精确表示式为：
1 Cr 6 Z
（2）
29
理论计算
式（1）与（2）式的差别是由于式
E0 ~
r02
分散
19
团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作
用形成的更大的颗粒．团聚体内会有相互连接的 气孔网络．团聚体可分为硬团聚体和软团聚体两 种．团聚体的形成过程使体系能量下降．
硬团聚：一般是指颗粒之间通过化学键力或氢键作用 力等强作用力连接形成的团聚体。 硬团聚体内部作用力大，颗粒间结合紧密，不易重新 分散。在纳米粉体材料制备过程中应该尽量避免产生 这种硬团聚。
2、电解质吸附
电解质在溶液中以离子形式存在，吸附能力大小 由库仑力来决定。 纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象大多数属于 物理吸附。纳米粒子的大的比表面，很多键不饱 和，致使纳米粒子表面失去电中性而带电（例如 纳米氧化物，氮化硅粒子），在电解质溶液中往 往把带有相反电荷的离子吸附在表面上以平衡其 表面上的电荷，这种吸附主要是通过库仑交互作 用而实现的。
纳米粉体的分散
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
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
纳米粉体团聚解决方法及分散技术的研究
ｔ ｃ ｎ ｏ ，ｓ ｍ ｍ ｅ ｈ ｏ ｕ ｏ ｅ ｈ ｏｌ ｇ ｙ ｕ ｄ ｕｐ ｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ｎ． ｉ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｎａ ｏｍｅ ｅ ； ｐ ｄｓ ｎ ｔｒ ｏｗｄ ｒ ｒｕｎｔ ｄｉ ｅ ｓ ｅ； ｅ ｉ ｅ； ｓ ｒｅ ｐ
０ 引 言
ｌ 效应 和表 面效 应表 现得更 为 强烈 。
第２ ５卷 第 ５期 ２ ２年 ９月 ０１ 文章 编 号 ：１ ０ — ６ ３ ２ １ ）０ — ３ — ３ ０ ２ ６ ７ ｆ ０ ２ ５ ０ ８ ０
Ｄ ｖｌｐ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ＆ Ｉ ｎ ｖｔｏ ｆＭａ ｈ ｎ ｒ ｎ ｏ ａｉｎ ｏ ｃ ｉｅ ｙ＆ Ｅｌｃｒ ａ ｒ ｄ ｃｓ ｅｔｃｌ ｏ ｕ ｔ ｉ Ｐ
ｆ
ｌ
（） ２ 由于 纳 米 颗 粒 的 量 子 隧 道 效 应 、电 荷 转 移 和 界 面
纳 米微粒 的集合 体称 为 纳米 粉体 或超 微粉 。纳 米材 ｌ 原 子 的相互 耦 合 ，使 纳 米颗 粒极 易通 过 界面 发生 相互 作
料 指 在 三 维 空 间 中 至 少 有 一 维 处 于 纳 米 尺 度 范 围 或 由 它 用 和 固 相 反 应 而 团 聚
而 失去 纳米 微 粒所 具备 的功 能 ，因此 ，应 用纳 米粉 体 首 ｛ （） ４ 因其极 高 的表面能 和较大 的接触 界 面 ，使 晶粒生 （ ） 些纳 米粒 子 （ Ｃ Ｃ 由于水解 作用 ，表 面呈 ５有 如 ａ Ｏ）
先必须解决其在介质中的分散性问题 。
『 长 的速 度加 快 ．因而颗 粒尺 寸很难 保 持不 变 。
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｇ ｌｍ ｅａｉｎ ｆｎａ ｏｍｅ ｅ ｏ ｄ ｒｉ ａｐ ｏ ｌｍ ｒｑ ｎｄ ｎ ｏ ｎｔｒｄ ｉ ｈｅｐｒ ｅｓｏ ａ ｔｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｐ ａｉｎｓ Ｔｈ ｓａ— ｔａ ｔ ｇｏ ｒｔ ｏ ｏ ｎ ｔｒｐ ｗ ｅ ｓ ｒ ｂｅ ｆｅ ｕｅ ｙ ｅ ｃ ｕ ｅ ｅ ｎ ｔ ｏｃ ｓ ｆｎ ｎｏ ｅ ｈ ｌｇ ｐ ｈｃｔｏ ． ｉ ｒ
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０ 引 言
ｌ 效应 和表 面效 应表 现得更 为 强烈 。
第２ ５卷 第 ５期 ２ ２年 ９月 ０１ 文章 编 号 ：１ ０ — ６ ３ ２ １ ）０ — ３ — ３ ０ ２ ６ ７ ｆ ０ ２ ５ ０ ８ ０
Ｄ ｖｌｐ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ＆ Ｉ ｎ ｖｔｏ ｆＭａ ｈ ｎ ｒ ｎ ｏ ａｉｎ ｏ ｃ ｉｅ ｙ＆ Ｅｌｃｒ ａ ｒ ｄ ｃｓ ｅｔｃｌ ｏ ｕ ｔ ｉ Ｐ
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ｌ
（） ２ 由于 纳 米 颗 粒 的 量 子 隧 道 效 应 、电 荷 转 移 和 界 面
纳 米微粒 的集合 体称 为 纳米 粉体 或超 微粉 。纳 米材 ｌ 原 子 的相互 耦 合 ，使 纳 米颗 粒极 易通 过 界面 发生 相互 作
料 指 在 三 维 空 间 中 至 少 有 一 维 处 于 纳 米 尺 度 范 围 或 由 它 用 和 固 相 反 应 而 团 聚
而 失去 纳米 微 粒所 具备 的功 能 ，因此 ，应 用纳 米粉 体 首 ｛ （） ４ 因其极 高 的表面能 和较大 的接触 界 面 ，使 晶粒生 （ ） 些纳 米粒 子 （ Ｃ Ｃ 由于水解 作用 ，表 面呈 ５有 如 ａ Ｏ）
先必须解决其在介质中的分散性问题 。
『 长 的速 度加 快 ．因而颗 粒尺 寸很难 保 持不 变 。
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｇ ｌｍ ｅａｉｎ ｆｎａ ｏｍｅ ｅ ｏ ｄ ｒｉ ａｐ ｏ ｌｍ ｒｑ ｎｄ ｎ ｏ ｎｔｒｄ ｉ ｈｅｐｒ ｅｓｏ ａ ｔｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｐ ａｉｎｓ Ｔｈ ｓａ— ｔａ ｔ ｇｏ ｒｔ ｏ ｏ ｎ ｔｒｐ ｗ ｅ ｓ ｒ ｂｅ ｆｅ ｕｅ ｙ ｅ ｃ ｕ ｅ ｅ ｎ ｔ ｏｃ ｓ ｆｎ ｎｏ ｅ ｈ ｌｇ ｐ ｈｃｔｏ ． ｉ ｒ
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第三章 纳米粉体的分散
5.2 化学法分散纳米粉体
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第三章 第2节
❖ 纳米颗粒在水介质中的分散是一个分散和絮凝平 衡的过程
❖ 物理方法的局限性
分散 机械作用 团聚 停止机械作用
❖ 化学分散：加入分散剂，吸附在颗粒的表面，通 过颗粒与介质、颗粒之间的作用，增加颗粒间的 排斥力，来实现更长时间的分散
❖ 纳米科学虽发展时间仅20多年，但纳米材料表现 出来的各方面的特异性质，受到人们极大关注
❖ 但纳米粒子粒径小，表面能高，具有自发团聚的 趋势。而团聚会大大影响纳米粉体优势的发挥
❖ 因此如何改善纳米粉体在液相介质中的分散和稳 定性是非常重要的课题。
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第三章 纳米粉体的分散 ❖ 颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘科学 ❖ 颗粒分散是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也 可能脱离超声场的共振相位而溃陷。
❖ 这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的 现象，就是空化作用
❖ 空化作用会产生局部的高温高压，并产生巨大的 冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能 被削弱，从而实现对纳米粉体的分散作用
同方法滴定 4、将聚合物酸和空白滴定曲线用8次多项式来回归，即扣除
稀释对浓度产生的影响，然后两者之差即为离解的聚合物 酸消耗的净H＋量， 5、用获得的离解率α对pH作曲线，便得到聚合物的离解度随 pH的变化曲线
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第三章 第3节
OH-
(a)
消 耗 的 量
0.08％PMAA
1.0 (b)
纳米粉体的分散 及表面改性
材料学院 王晓冬
第三章 纳米粉体的分散
1
物理法分散纳米粉体
2
化学法分散纳米粉体
3
聚电解质分散剂
4 影响纳米粉体浆料稳定性的因素
5
分散剂的优化
6
粉体预处理改善可分散性
7
多组分粉体的分散
8
纳米粉体在非水介质中的分散
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纳米材料导论-第一章
第三章 纳米粉体的分散
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的一种方法
纳米机械粉碎是从传统的机械碎技术中发展 起来的。粉碎：是指固体物料粒子尺寸由大变小 过程的总称，包括“破碎”和“粉磨”
破碎：是指由大块料变成小块料的过程； 粉磨：是指小块料变成粉体的过程。
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粉碎力的类型
(a)
(b)
δ0
ZrO2
pH值 ❖ 当pH<4时，聚丙烯酸（PAA）
增加
几乎不解离，以线团方式存在于
固液界面上，吸附层很薄，几乎
无位阻作用
δ0
σ0
❖ 随pH值增加，链节间静电斥力
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第三章 第3节
❖ 聚电解质的分子量 分子量是对聚合物功能影响最大的性质之一
❖ 最大可以到数千万，也可小到几百，例如：
聚丙烯酸分子量为2000至几万，阻垢分散剂 中等分子量是纸张的增强剂（几万至几十万） 高分子量的聚丙烯酸是絮凝剂（几百万至上千万）
❖ 选择聚电解质做分散剂时，不仅要考虑其分子量 还要考虑分子结构的影响
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 首先，超声波的传播需以介质为载体的 ❖ 超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周
期，介质在胶体的正负压强下收到挤压和牵拉 ❖ 超声波作用于介质液体时，在负压区内介质分子
间的距离会超过液体介质保持不变的的临界分子 距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡 长大变成空化气泡。
解质的离解特性
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第三章 第3节
❖ 区分强弱 酸的方法
❖ NaOH的电
导滴定
电 导
率
聚合物强酸
1 2
聚合Байду номын сангаас弱酸
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1
中和度
碱滴定高分子酸的电导率变化示意图
第三章 第3节 ❖ 大多数聚电解质为弱酸碱 ❖ 聚甲基丙烯酸（PMAA）是最常用的聚合物弱酸
碱，以它为例介绍聚电解质的离解特性 ❖ 聚合物弱酸碱的离解度随pH值的变化而变化，可
在整个液相中均匀分布的过程 ❖ 包括润湿、解团聚和分散颗粒的稳定化3个阶段
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第三章 纳米粉体的分散
❖ 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附 在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程
❖ 解团聚 是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集
体分散为较小颗粒
❖ 稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散
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第三章 纳米粉体的分散
❖ 根据分散介质 分散体系区分为水性体系和非水性体系
❖ 根据分散方法 区分为物理分散和化学分散
❖ 物理分散： 超声波分散和机械力分散等
❖ 化学分散 是指选择一种回落多种适宜的分散剂提高悬浮
体的分散性，以改善其稳定性和流变性
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第三章 纳米粉体的分散
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第三章 第1节
❖ 超声波 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
❖ 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都 是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质 内会传播，是一种能量的传播形式
❖ 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射性和方向性
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第三章 第2节
❖ 常用的分散剂 （1）表面活性剂
空间位阻效应 （2）小分子量无机电解质或无机聚合物
吸附－－提高颗粒表面电势 （3）聚合物类(应用最多)
空间位阻效应、静电效应 （4）偶联剂类
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作业
1、试述纳米粉体超声分散机理
2、什么是粉碎极限？
3、试述物理和化学分散纳米颗 粒的区别。
因此，粉碎到一定程度，粒径不再减小或减小 速率相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。
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机械分散法的弊端
❖ 在浆料中引入杂质，影响浆料的纯度和性能 球磨筒和球本身被磨损，磨损物质进入浆料成
为杂质
❖ 机械分散过程可能会改变粉末的物理化学性质， 例如： 提高粉末的表面能，增加晶格不完整性，形成 表面无定形层。
频率/kHz
第三章 第1节
B、超声时间和超声频率恒定，超声功率对浆料性 能有较大影响 例如：ZrO2-Al2O3双组分混合浆料 与未超声浆料相比，超声功率越大，浆料的表 观粘度越低
C、若长时间超声操作，会导致过热，反而会加剧 团聚 通常应采取间隔超声的方法
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第三章 第1节
2、机械分散法
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第三章 第4节
❖ 聚电解质的分散作用是通过其在粉体表面上的吸 附来实现的
❖ 本节内容: 1、聚电解质在纳米粉体上的吸附等温式 2、吸附量的测定方法 3、分散剂在粉体表面的吸附层构型 4、吸附量的影响因素
❖ 这里只介绍后面两点
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第三章 第4节
❖聚电解质的吸附构型及厚度
采用电位滴定法确定离解度随pH的变化
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第三章 第3节
❖ 实验步骤
1、在聚合物酸溶液中加几滴HNO3，pH值调至2.5 2、加入KNO3电解质以维持其离子强度，用标准NaOH溶液
滴定至pH＝12.5，记录pH值随NaOH加入量的变化 3、滴定空白曲线：相同离子强度不含聚合物酸的溶液用相
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第三章 第3节
❖ 分子量的测定方法 粘度法（最常用） 端基法 冰点下降、沸点升高法等
❖ 其它方法：
渗透压法 蒸气压降低法 光散射法 超速离心法 凝胶色谱法等
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第三章 第3节
❖ 粘度法及其原理
主要根据半经验的麦克（Mark-Houwink）非线性方程
[] KM
聚电解质具有柔顺性，其在水中的构型会随离 解度、溶剂性质等因素而改变 ❖ 与聚电解质吸附构型有关的因素：
(1)粉体表面的活性吸附位置数 (2)高分子链上的可吸附基团数 (3)高聚物分子同溶剂以及其它高聚物分子间的相互竞争 (4)溶剂分子的吸附能力 (5)基团在分子链上的位置
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第三章 第4节
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第三章 纳米粉体的分散 3、聚电解质分散剂
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第三章 第3节
❖ 聚电解质
是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基 团的水溶性高分子
CH3
(CH2－C)n
聚丙烯酸 （PMAA）
COOH
❖ 水溶液中，聚电解质发生解离后则带有较高的电 荷密度，同时还有较高的分子量，表现出一些特 殊的物化性质。
第1节 物理法分散纳米粉体
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第三章 第1节
1. 超声波法 ❖ 声波
是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所 谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的 往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动 ，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播， 这便是声波。声波的频率范围：20Hz～20kHz。
[η] ----是高分子稀释溶液的特性粘数，采用乌式粘度计测量
K----比例常数； α----与高聚物在溶液中的形态有关的经验参数。
K、α值可从文献或有关手册查出 k、α值会因所用溶剂的不同及实验温度的不同而具有不同
数值
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第三章 第3节
第三章 纳米粉体的分散
5.2 化学法分散纳米粉体
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第三章 第2节
❖ 纳米颗粒在水介质中的分散是一个分散和絮凝平 衡的过程
❖ 物理方法的局限性
分散 机械作用 团聚 停止机械作用
❖ 化学分散：加入分散剂，吸附在颗粒的表面，通 过颗粒与介质、颗粒之间的作用，增加颗粒间的 排斥力，来实现更长时间的分散
❖ 纳米科学虽发展时间仅20多年，但纳米材料表现 出来的各方面的特异性质，受到人们极大关注
❖ 但纳米粒子粒径小，表面能高，具有自发团聚的 趋势。而团聚会大大影响纳米粉体优势的发挥
❖ 因此如何改善纳米粉体在液相介质中的分散和稳 定性是非常重要的课题。
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第三章 纳米粉体的分散 ❖ 颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘科学 ❖ 颗粒分散是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 气泡可重新溶解于气体中，也可上浮并消失，也 可能脱离超声场的共振相位而溃陷。
❖ 这种空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失的 现象，就是空化作用
❖ 空化作用会产生局部的高温高压，并产生巨大的 冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能 被削弱，从而实现对纳米粉体的分散作用
同方法滴定 4、将聚合物酸和空白滴定曲线用8次多项式来回归，即扣除
稀释对浓度产生的影响，然后两者之差即为离解的聚合物 酸消耗的净H＋量， 5、用获得的离解率α对pH作曲线，便得到聚合物的离解度随 pH的变化曲线
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第三章 第3节
OH-
(a)
消 耗 的 量
0.08％PMAA
1.0 (b)
纳米粉体的分散 及表面改性
材料学院 王晓冬
第三章 纳米粉体的分散
1
物理法分散纳米粉体
2
化学法分散纳米粉体
3
聚电解质分散剂
4 影响纳米粉体浆料稳定性的因素
5
分散剂的优化
6
粉体预处理改善可分散性
7
多组分粉体的分散
8
纳米粉体在非水介质中的分散
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纳米材料导论-第一章
第三章 纳米粉体的分散
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的一种方法
纳米机械粉碎是从传统的机械碎技术中发展 起来的。粉碎：是指固体物料粒子尺寸由大变小 过程的总称，包括“破碎”和“粉磨”
破碎：是指由大块料变成小块料的过程； 粉磨：是指小块料变成粉体的过程。
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粉碎力的类型
(a)
(b)
δ0
ZrO2
pH值 ❖ 当pH<4时，聚丙烯酸（PAA）
增加
几乎不解离，以线团方式存在于
固液界面上，吸附层很薄，几乎
无位阻作用
δ0
σ0
❖ 随pH值增加，链节间静电斥力
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第三章 第3节
❖ 聚电解质的分子量 分子量是对聚合物功能影响最大的性质之一
❖ 最大可以到数千万，也可小到几百，例如：
聚丙烯酸分子量为2000至几万，阻垢分散剂 中等分子量是纸张的增强剂（几万至几十万） 高分子量的聚丙烯酸是絮凝剂（几百万至上千万）
❖ 选择聚电解质做分散剂时，不仅要考虑其分子量 还要考虑分子结构的影响
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第三章 第1节
超声分散机理
❖ 首先，超声波的传播需以介质为载体的 ❖ 超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周
期，介质在胶体的正负压强下收到挤压和牵拉 ❖ 超声波作用于介质液体时，在负压区内介质分子
间的距离会超过液体介质保持不变的的临界分子 距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡 长大变成空化气泡。
解质的离解特性
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第三章 第3节
❖ 区分强弱 酸的方法
❖ NaOH的电
导滴定
电 导
率
聚合物强酸
1 2
聚合Байду номын сангаас弱酸
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1
中和度
碱滴定高分子酸的电导率变化示意图
第三章 第3节 ❖ 大多数聚电解质为弱酸碱 ❖ 聚甲基丙烯酸（PMAA）是最常用的聚合物弱酸
碱，以它为例介绍聚电解质的离解特性 ❖ 聚合物弱酸碱的离解度随pH值的变化而变化，可
在整个液相中均匀分布的过程 ❖ 包括润湿、解团聚和分散颗粒的稳定化3个阶段
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第三章 纳米粉体的分散
❖ 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附 在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程
❖ 解团聚 是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集
体分散为较小颗粒
❖ 稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散
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第三章 纳米粉体的分散
❖ 根据分散介质 分散体系区分为水性体系和非水性体系
❖ 根据分散方法 区分为物理分散和化学分散
❖ 物理分散： 超声波分散和机械力分散等
❖ 化学分散 是指选择一种回落多种适宜的分散剂提高悬浮
体的分散性，以改善其稳定性和流变性
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第三章 纳米粉体的分散
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第三章 第1节
❖ 超声波 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
❖ 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都 是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质 内会传播，是一种能量的传播形式
❖ 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射性和方向性
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第三章 第2节
❖ 常用的分散剂 （1）表面活性剂
空间位阻效应 （2）小分子量无机电解质或无机聚合物
吸附－－提高颗粒表面电势 （3）聚合物类(应用最多)
空间位阻效应、静电效应 （4）偶联剂类
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作业
1、试述纳米粉体超声分散机理
2、什么是粉碎极限？
3、试述物理和化学分散纳米颗 粒的区别。
因此，粉碎到一定程度，粒径不再减小或减小 速率相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。
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机械分散法的弊端
❖ 在浆料中引入杂质，影响浆料的纯度和性能 球磨筒和球本身被磨损，磨损物质进入浆料成
为杂质
❖ 机械分散过程可能会改变粉末的物理化学性质， 例如： 提高粉末的表面能，增加晶格不完整性，形成 表面无定形层。
频率/kHz
第三章 第1节
B、超声时间和超声频率恒定，超声功率对浆料性 能有较大影响 例如：ZrO2-Al2O3双组分混合浆料 与未超声浆料相比，超声功率越大，浆料的表 观粘度越低
C、若长时间超声操作，会导致过热，反而会加剧 团聚 通常应采取间隔超声的方法
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第三章 第1节
2、机械分散法
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第三章 第4节
❖ 聚电解质的分散作用是通过其在粉体表面上的吸 附来实现的
❖ 本节内容: 1、聚电解质在纳米粉体上的吸附等温式 2、吸附量的测定方法 3、分散剂在粉体表面的吸附层构型 4、吸附量的影响因素
❖ 这里只介绍后面两点
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第三章 第4节
❖聚电解质的吸附构型及厚度
采用电位滴定法确定离解度随pH的变化
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第三章 第3节
❖ 实验步骤
1、在聚合物酸溶液中加几滴HNO3，pH值调至2.5 2、加入KNO3电解质以维持其离子强度，用标准NaOH溶液
滴定至pH＝12.5，记录pH值随NaOH加入量的变化 3、滴定空白曲线：相同离子强度不含聚合物酸的溶液用相
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第三章 第3节
❖ 分子量的测定方法 粘度法（最常用） 端基法 冰点下降、沸点升高法等
❖ 其它方法：
渗透压法 蒸气压降低法 光散射法 超速离心法 凝胶色谱法等
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第三章 第3节
❖ 粘度法及其原理
主要根据半经验的麦克（Mark-Houwink）非线性方程
[] KM
聚电解质具有柔顺性，其在水中的构型会随离 解度、溶剂性质等因素而改变 ❖ 与聚电解质吸附构型有关的因素：
(1)粉体表面的活性吸附位置数 (2)高分子链上的可吸附基团数 (3)高聚物分子同溶剂以及其它高聚物分子间的相互竞争 (4)溶剂分子的吸附能力 (5)基团在分子链上的位置
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第三章 第4节
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第三章 纳米粉体的分散 3、聚电解质分散剂
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第三章 第3节
❖ 聚电解质
是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基 团的水溶性高分子
CH3
(CH2－C)n
聚丙烯酸 （PMAA）
COOH
❖ 水溶液中，聚电解质发生解离后则带有较高的电 荷密度，同时还有较高的分子量，表现出一些特 殊的物化性质。
第1节 物理法分散纳米粉体
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第三章 第1节
1. 超声波法 ❖ 声波
是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所 谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的 往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动 ，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播， 这便是声波。声波的频率范围：20Hz～20kHz。
[η] ----是高分子稀释溶液的特性粘数，采用乌式粘度计测量
K----比例常数； α----与高聚物在溶液中的形态有关的经验参数。
K、α值可从文献或有关手册查出 k、α值会因所用溶剂的不同及实验温度的不同而具有不同
数值
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第三章 第3节