纳米粉体的分散
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纳米粉体防止沉降方法
纳米粉体防止沉降方法引言：纳米粉体在许多工业领域中具有广泛的应用前景，但由于其颗粒极小，易于聚集和沉降，导致颗粒分散性和稳定性下降，从而影响了其应用效果。
因此，研究和采用适当的方法来防止纳米粉体的沉降至关重要。
本文将介绍一些常用的纳米粉体防止沉降的方法。
一、表面修饰方法纳米粉体的表面修饰是一种常见的防止沉降的方法。
通过在粉体表面进行修饰，可以增加粉体的分散性和稳定性，减少粉体颗粒之间的相互作用力，从而防止粉体的聚集和沉降。
常用的表面修饰方法包括包覆、偶联剂修饰和表面改性等。
包覆是将纳米粉体表面包覆上一层覆盖物，形成一种保护层，从而减少粉体颗粒之间的相互作用力。
这种方法可以通过物理吸附、化学吸附或化学反应等方式实现。
常用的包覆材料包括有机物、无机物和聚合物等。
偶联剂修饰是通过在纳米粉体表面引入一种具有亲水性或疏水性的化学官能团，从而改变粉体表面的性质，增加其分散性和稳定性。
常用的偶联剂包括硅烷类、羧酸类和胺类等。
这种方法可以通过溶液处理、气相修饰或固相修饰等方式实现。
表面改性是将纳米粉体表面进行化学反应或物理改变，改变其表面性质，从而增加粉体的分散性和稳定性。
常用的表面改性方法包括等离子体处理、高能球磨和化学气相沉积等。
这些方法可以有效地改善纳米粉体的分散性和稳定性，防止其沉降。
二、分散剂的应用分散剂是一种常用的纳米粉体防止沉降的方法。
分散剂可以在纳米粉体表面形成一层吸附层，增加粉体颗粒之间的排斥力，防止粉体颗粒的聚集和沉降。
常用的分散剂包括阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂等。
阳离子表面活性剂具有良好的分散性和稳定性，可以有效地防止纳米粉体的沉降。
阴离子表面活性剂则可以改变纳米粉体的表面电荷，增加粉体颗粒之间的排斥力，减少粉体的聚集和沉降。
非离子表面活性剂具有良好的溶解性和分散性，可以在纳米粉体表面形成一层吸附层，防止粉体的聚集和沉降。
三、外加能场的作用外加能场是一种有效的纳米粉体防止沉降的方法。
聚丙烯酸在纳米氧化锆粉体中的分散作用
聚丙烯酸（ＰＡＡ）是一种既可用作分散剂也可用作絮凝剂的聚电解质，它已被广泛应用 在陶瓷粉体的分散、造纸、废水处理等领域中。ＰＡＡ对纳米粉体的分散作用与它自身的解离、 构象密切相关。体系的ｐＨ值、舟质的离子强度、粉体的表面性质、ＰＡＡ的分子量和加入量
等都对分散过程产生显著影响。本文系统研究了队Ａ对纳米氧化锆粉体的分散作用，利用红
在ｐＨ ６左右。加入分散剂ＰＡＡ后，粉体的等电点下降到２ ２处，同时ｚ毗ａ电位在ｐＨ超过６ 时绝对值超过３０ｍＶ。ＰＡ．Ａ的ｐｉｃａ在４．５左右，当ｐＨ大于４．５时，ｐ．Ａ．Ａ的解离程度不断提高，
图１加入ｐＡＡ前后３Ｙ－ＴＺＰ耪体的 Ｚｅｔａ电位随ｐＨ的变化关系
图２体系ｐＨ值对ＰＡＡ吸附量的影响
解离出的ＲＣ００‘基团吸附在氧化锆粉体表面，使它的表面电荷提高，颗粒彼此之阀的排斥作
０５ Ｏ４ Ｏ３ ０２
旨ｒ舀Ⅱ１．笆触 ０ ｌ
０ Ｏｌ
Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｎｍ
图３不同ｐＨ条件下氧化锆表面的相互作用力
图４给出固体含量为２３ｖ０１％时，在不同剪切速率下，浆料粘度随分散剂加入量的变化 情况。可以看出浆料粘度随分散剂加入量的增大而逐步下降，对应ＰＡＡ加入量为粉体总量的
星暑、丧屠＞
Ｉ．ｊ
２．Ｏ
２．Ｓ
３．口
Ｃｏｍｅａｇｏｆｄｉ单ａ∞戌，、“％
图４浆料周体含量为２３ｖ０１％时，粘度随分散荆加入量的变化
２．５ｗ竹，Ｑ时，浆料的粘度最低。继续增加ＰＡＡ用量导致粘度增加。说明对一定固体含量的浆料 来说，有其最佳的分散剂用量范圈，偏离这个最佳值将引起粘度升高。偏离越多，粘度增加 越显著。通过选择合适的ＰＡＡ用量，我们成功的制各出固体含量高达４７ｖ０１％，具有较好的 流变性质的稳定浆料。
等都对分散过程产生显著影响。本文系统研究了队Ａ对纳米氧化锆粉体的分散作用，利用红
在ｐＨ ６左右。加入分散剂ＰＡＡ后，粉体的等电点下降到２ ２处，同时ｚ毗ａ电位在ｐＨ超过６ 时绝对值超过３０ｍＶ。ＰＡ．Ａ的ｐｉｃａ在４．５左右，当ｐＨ大于４．５时，ｐ．Ａ．Ａ的解离程度不断提高，
图１加入ｐＡＡ前后３Ｙ－ＴＺＰ耪体的 Ｚｅｔａ电位随ｐＨ的变化关系
图２体系ｐＨ值对ＰＡＡ吸附量的影响
解离出的ＲＣ００‘基团吸附在氧化锆粉体表面，使它的表面电荷提高，颗粒彼此之阀的排斥作
０５ Ｏ４ Ｏ３ ０２
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图３不同ｐＨ条件下氧化锆表面的相互作用力
图４给出固体含量为２３ｖ０１％时，在不同剪切速率下，浆料粘度随分散剂加入量的变化 情况。可以看出浆料粘度随分散剂加入量的增大而逐步下降，对应ＰＡＡ加入量为粉体总量的
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图４浆料周体含量为２３ｖ０１％时，粘度随分散荆加入量的变化
２．５ｗ竹，Ｑ时，浆料的粘度最低。继续增加ＰＡＡ用量导致粘度增加。说明对一定固体含量的浆料 来说，有其最佳的分散剂用量范圈，偏离这个最佳值将引起粘度升高。偏离越多，粘度增加 越显著。通过选择合适的ＰＡＡ用量，我们成功的制各出固体含量高达４７ｖ０１％，具有较好的 流变性质的稳定浆料。
2.3 纳米粉体的分散
细颗粒有巨大的界面能，颗粒间的范德华力较强 随着粉体粒度的降低，颗粒间自动聚集的趋势变大 分散作用与聚集作用达到平衡，粒径不再变化
球磨时间对粉体性质的影响
2012-4-5
JIANGXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
机械分散的缺点 易引入杂质（球磨介质） 可能改变粉体性质。如提高粉体颗粒表面能，增加晶格缺陷、在 表面形成无定形层，改变化学组成等。
非离子型：极性基团不带电，如乙二醇；
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常用分散剂
表面活性剂：空间位阻效应；如：长链脂肪酸等。 小分子量无机电解质或无机聚合物：空间位阻、静电稳定；如硅酸钠、
三聚磷酸钾等。 高分子有机聚合物：空间位阻、静电稳定；如：明胶、海藻酸盐等。 偶联剂类：空间位阻、静电稳定；如：硅烷类、钛酸酯类等。
聚电解质的分类：
聚酸类：电离后成为阴离子高分子,如：聚丙烯酸。 聚碱类：电离后成为阳离子高分子,如：聚乙烯胺等。 两性类：分子中具有酸性和碱性两种可电离的基团。如：两性型聚丙
烯酰胺等
分散过程：溶解在水或低级醇中，一方面与颗粒通过锚固进行连接；另
一方面，电离成一个聚离子和许多与聚离子电荷相反的小离子（反离子）。 聚离子的分子链上有许多固定的电荷，在聚离子周围形成静电场，是颗粒 通过静电效应和空间位阻效应分散。
4
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超声波强度
定义：指单位面积上的超声功率 超声波强度增加时，空化强度增
大，但达到一定值后，空化趋于 饱和，此时再增加超声波强度则 会产生大量无用气泡，从而增加 了散射衰减，降低了空化强度。
球磨时间对粉体性质的影响
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机械分散的缺点 易引入杂质（球磨介质） 可能改变粉体性质。如提高粉体颗粒表面能，增加晶格缺陷、在 表面形成无定形层，改变化学组成等。
非离子型：极性基团不带电，如乙二醇；
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常用分散剂
表面活性剂：空间位阻效应；如：长链脂肪酸等。 小分子量无机电解质或无机聚合物：空间位阻、静电稳定；如硅酸钠、
三聚磷酸钾等。 高分子有机聚合物：空间位阻、静电稳定；如：明胶、海藻酸盐等。 偶联剂类：空间位阻、静电稳定；如：硅烷类、钛酸酯类等。
聚电解质的分类：
聚酸类：电离后成为阴离子高分子,如：聚丙烯酸。 聚碱类：电离后成为阳离子高分子,如：聚乙烯胺等。 两性类：分子中具有酸性和碱性两种可电离的基团。如：两性型聚丙
烯酰胺等
分散过程：溶解在水或低级醇中，一方面与颗粒通过锚固进行连接；另
一方面，电离成一个聚离子和许多与聚离子电荷相反的小离子（反离子）。 聚离子的分子链上有许多固定的电荷，在聚离子周围形成静电场，是颗粒 通过静电效应和空间位阻效应分散。
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超声波强度
定义：指单位面积上的超声功率 超声波强度增加时，空化强度增
大，但达到一定值后，空化趋于 饱和，此时再增加超声波强度则 会产生大量无用气泡，从而增加 了散射衰减，降低了空化强度。
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
河南理工大学材料学院
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）
纳米粉体团聚解决方法
纳米粉体团聚解决方法
纳米粉体团聚是指纳米颗粒在制备、储存或使用过程中相互聚集形成较大颗粒的现象。
以下是一些常见的解决纳米粉体团聚的方法：
1. 表面修饰：通过在纳米颗粒表面引入功能性基团或涂层，可以改变颗粒间的相互作用，减少团聚的倾向。
2. 分散剂：使用适当的分散剂可以提高纳米粉体在介质中的分散稳定性，减少团聚。
3. 超声处理：利用超声波的能量可以打破纳米颗粒间的团聚，使其分散更均匀。
4. 机械搅拌：通过搅拌或研磨等机械手段可以帮助纳米粉体分散，减少团聚。
5. 干燥控制：在纳米粉体的干燥过程中，控制干燥条件（如温度、湿度、干燥时间等）可以减少团聚的发生。
6. 静电稳定：利用静电相互作用，通过调节纳米粉体的表面电荷来增加其稳定性，减少团聚。
7. 制备方法优化：选择合适的制备方法，如控制反应条件、选择合适的前驱体等，可以减少纳米粉体团聚的倾向。
纳米TiO2粉体在水体系中稳定分散的影响因素
纳 米 Ｔｉ 。 Ｏ 水体 系稳 定性之 间 的关 系进 行 了研 究 ， 通过 重 力 沉 降 法 ， 并 紫外 一可 见 分光 光 度 法
定 量测 量 出这 ３种 因素对稳 定 体 系的影 响程 度 。结果表 明在 ｐ 值 为 １ １ Ｈ 或 １的条件 下 ， 物 先
理 搅拌 ４ ｈ再超 声震 荡 １ ｍｉ ５ ｎ的粉 体 的水体 系具有较 好 的分散 稳 定性 。 关键 词 纳 米粉 体 ； Ｏ ； 声 ； Ｈ 值 ； 定性 Ｔｉ ２ 超 Ｐ 稳
格结 构 的特点 ， 粉 体 均 匀 分 散在 表 面 活 性 剂 形 将
成 的微 小 区域 内 ， 而 达 到 阻止 粉 体 发 生 团 聚 的 从
效果。但是表面活性剂价格较高 ， 因此想较经济
的利 用这 种 方 法 并 应 用 在 生 产 上 还 有 一 定 的 困 难 。本论 文主 要对 目前 使用较 多 的搅拌 振 荡 以及
第 ６期
冯光建等 ： 纳米 Ｔ Ｏ 粉 体 在 水 体 系 中稳 定 分 散 的影 响 因 素 ｉ
９
２ 结 果 与 讨 论
２ １ 物 理 搅拌对 分 散效 果的 影 响 ．
２ ２ 超 声 震 荡 对 分 散 效 果 的 影 响 ．
中 圈分 类号 ： ＴＱ４ ６ ９ ２．４ 文 献标 识 码 ： Ａ
纳 米 Ｔ Ｏ 独 特 的光 催 化 效 应 以及 紫 外 线 屏 ｉ。 蔽效 应 ， 为研 究 的热 点 。在 材 料 成 形 、 料 制 成 涂 备 等工 业 领 域 ， 品 性 能 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 产 超 细 Ｔｉ 的分 散 程度 ［ 。但是 纳 米 Ｔ Ｏ 比表 面 Ｏ。 １ ］ ｉ
冯 光建 李璐 璐。 胡 兴 韦。 刘 素文 ， ， ，
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理 搅拌 ４ ｈ再超 声震 荡 １ ｍｉ ５ ｎ的粉 体 的水体 系具有较 好 的分散 稳 定性 。 关键 词 纳 米粉 体 ； Ｏ ； 声 ； Ｈ 值 ； 定性 Ｔｉ ２ 超 Ｐ 稳
格结 构 的特点 ， 粉 体 均 匀 分 散在 表 面 活 性 剂 形 将
成 的微 小 区域 内 ， 而 达 到 阻止 粉 体 发 生 团 聚 的 从
效果。但是表面活性剂价格较高 ， 因此想较经济
的利 用这 种 方 法 并 应 用 在 生 产 上 还 有 一 定 的 困 难 。本论 文主 要对 目前 使用较 多 的搅拌 振 荡 以及
第 ６期
冯光建等 ： 纳米 Ｔ Ｏ 粉 体 在 水 体 系 中稳 定 分 散 的影 响 因 素 ｉ
９
２ 结 果 与 讨 论
２ １ 物 理 搅拌对 分 散效 果的 影 响 ．
２ ２ 超 声 震 荡 对 分 散 效 果 的 影 响 ．
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纳 米 Ｔ Ｏ 独 特 的光 催 化 效 应 以及 紫 外 线 屏 ｉ。 蔽效 应 ， 为研 究 的热 点 。在 材 料 成 形 、 料 制 成 涂 备 等工 业 领 域 ， 品 性 能 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 产 超 细 Ｔｉ 的分 散 程度 ［ 。但是 纳 米 Ｔ Ｏ 比表 面 Ｏ。 １ ］ ｉ
冯 光建 李璐 璐。 胡 兴 韦。 刘 素文 ， ， ，
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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
机械搅拌分散有球磨法、超声分散法等
•超声分散法
利用超声空化时产生的局部高温、 利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射 流等, 弱化纳米粒子间的纳米作用能, 流等 弱化纳米粒子间的纳米作用能 可有效地防止纳米粒子的 团聚
超生分散法不适 用于乳液分散或 有磁性的超微颗 粒
超声波分散仪
分散剂分散
•加入反絮凝剂形成双电层
选择适当的电解质作分散剂, 使纳米粒子表面吸引异电离子 形成双电层, 通过双电层之间的库仑排斥作用使纳米粒子分散。 例如, 用盐酸处理纳米Al2O3后, 在纳米Al2O3 粒子表面生成三氯 化铝( AlCl3) , 三氯化铝水解生成AlCl2+ 和AlCl2+, 犹如纳米 Al2O3 粒子表面吸附了一层AlCl2+ 和AlCl2+ ,使纳米Al2O3 成为 一个带正电荷的胶粒, 然后胶粒吸附OH- 而形成一个庞大的胶团。 如图1所示
介质分散
选择分散介质的基本原则是 ：
•非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散； 非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散； 非极性颗粒易于在非极性液体 •极性颗粒易于在极性液体中分散 极性颗粒易于在极性液体中分散
非极性介质：苯、甲苯、氯仿
极性介质：水、乙醇、乙二醇
机械搅拌分散
借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中。 借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中。在 机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应, 机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应, 形 成有机化合物枝链或保护层, 使纳米粒子更易分散。 成有机化合物枝链或保护层, 使纳米粒子更易分散。但 搅拌会造成溶液飞溅, 反应物损失 搅拌会造成溶液飞溅, 反应物损失
团 聚
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 材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了 材料在纳米化过程中 大量的正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定 这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳 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 它们互相吸引,使颗粒团聚 定,它们互相吸引 使颗粒团聚 此过程的主要作用力是静电库 它们互相吸引 使颗粒团聚,此过程的主要作用力是静电库 仑力。 仑力。 2)材料在纳米化过程中 吸收了大量机械能或热能 从而使 材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能 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 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 往往通过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚 能,往往通过相互聚集而达到稳定状态 因而引起粒子团聚。 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 当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短 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 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。 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 由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作 由于纳米粒子表面的氢键 也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 用,也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 也易导致粒子之间的互相黏附聚集
•加表( 界) 面活性剂包裹微粒
加入适当的表面活性剂, 使其吸附在粒子表面,形成微胞, 由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力, 使得粒子间不能 接触, 从而防止团聚体的产生 然而, 分散剂添加时间的不同使保护效果不同。在反应前 先将分散剂分散在溶液中的效果最好, 随着分散剂添加量的增 加, 粒子的粒径变小, 由于纳米颗粒度很小, 比表面积很大, 在 浓度大时易发生 聚集长大, 从而降低了分散效果。 此外分散剂 粘度较大时, 其保护作用明显, 而且由于粘度大而使颗粒不易聚 沉
表面活性剂在固/液界面上的吸附方式： 液界面上的吸附方式：
1. 离子交换吸附 2. 离子对吸附 3. 氢键形成吸附 4. Π电子成键吸附 电子成键吸附 5. 色散力、诱导力、静电力 色散力、诱导力、 6. “憎水键”的作用 憎水键”
化学改性分散
利用有机物分子中的官能团与纳米粒子表面基团进行化 学反应, 将聚合物接枝到纳米粒子表面, 或利用可聚合的有机小 分子在纳米粒子表面的活性点上的聚合反应, 在纳米粒子表面 构成聚合物层, 从而达到表面改性
• 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好 不 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好, 能超过它的临界胶束浓度. 浓度太高, 能超过它的临界胶束浓度 浓度太高 活性 剂分子之间发生缔合, 形成了胶束, 剂分子之间发生缔合 形成了胶束 不能在 凝胶粒子表面实现包裹, 凝胶粒子表面实现包裹 或者根本没有吸附 在胶粒表面上, 因此无法分散; 浓度太低, 在胶粒表面上 因此无法分散 浓度太低 无 法起到完全分散作用. 法起到完全分散作用 表面活性剂的活性还 与溶液的pH 值有关 不同的活性剂要求的 值有关, 与溶液的 酸碱度不同. 酸碱度不同
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
机械搅拌分散有球磨法、超声分散法等
•超声分散法
利用超声空化时产生的局部高温、 利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射 流等, 弱化纳米粒子间的纳米作用能, 流等 弱化纳米粒子间的纳米作用能 可有效地防止纳米粒子的 团聚
超生分散法不适 用于乳液分散或 有磁性的超微颗 粒
超声波分散仪
分散剂分散
•加入反絮凝剂形成双电层
选择适当的电解质作分散剂, 使纳米粒子表面吸引异电离子 形成双电层, 通过双电层之间的库仑排斥作用使纳米粒子分散。 例如, 用盐酸处理纳米Al2O3后, 在纳米Al2O3 粒子表面生成三氯 化铝( AlCl3) , 三氯化铝水解生成AlCl2+ 和AlCl2+, 犹如纳米 Al2O3 粒子表面吸附了一层AlCl2+ 和AlCl2+ ,使纳米Al2O3 成为 一个带正电荷的胶粒, 然后胶粒吸附OH- 而形成一个庞大的胶团。 如图1所示
介质分散
选择分散介质的基本原则是 ：
•非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散； 非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散； 非极性颗粒易于在非极性液体 •极性颗粒易于在极性液体中分散 极性颗粒易于在极性液体中分散
非极性介质：苯、甲苯、氯仿
极性介质：水、乙醇、乙二醇
机械搅拌分散
借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中。 借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中。在 机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应, 机械搅拌下纳米粒子的特殊结构容易产生化学反应, 形 成有机化合物枝链或保护层, 使纳米粒子更易分散。 成有机化合物枝链或保护层, 使纳米粒子更易分散。但 搅拌会造成溶液飞溅, 反应物损失 搅拌会造成溶液飞溅, 反应物损失
团 聚
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 材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了 材料在纳米化过程中 大量的正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定 这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳 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 它们互相吸引,使颗粒团聚 定,它们互相吸引 使颗粒团聚 此过程的主要作用力是静电库 它们互相吸引 使颗粒团聚,此过程的主要作用力是静电库 仑力。 仑力。 2)材料在纳米化过程中 吸收了大量机械能或热能 从而使 材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能 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 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 往往通过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚 能,往往通过相互聚集而达到稳定状态 因而引起粒子团聚。 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 当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短 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 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。 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 由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作 由于纳米粒子表面的氢键 也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 用,也易导致粒子之间的互相黏附聚集。 也易导致粒子之间的互相黏附聚集
•加表( 界) 面活性剂包裹微粒
加入适当的表面活性剂, 使其吸附在粒子表面,形成微胞, 由于活性剂的存在而产生粒子间的排斥力, 使得粒子间不能 接触, 从而防止团聚体的产生 然而, 分散剂添加时间的不同使保护效果不同。在反应前 先将分散剂分散在溶液中的效果最好, 随着分散剂添加量的增 加, 粒子的粒径变小, 由于纳米颗粒度很小, 比表面积很大, 在 浓度大时易发生 聚集长大, 从而降低了分散效果。 此外分散剂 粘度较大时, 其保护作用明显, 而且由于粘度大而使颗粒不易聚 沉
表面活性剂在固/液界面上的吸附方式： 液界面上的吸附方式：
1. 离子交换吸附 2. 离子对吸附 3. 氢键形成吸附 4. Π电子成键吸附 电子成键吸附 5. 色散力、诱导力、静电力 色散力、诱导力、 6. “憎水键”的作用 憎水键”
化学改性分散
利用有机物分子中的官能团与纳米粒子表面基团进行化 学反应, 将聚合物接枝到纳米粒子表面, 或利用可聚合的有机小 分子在纳米粒子表面的活性点上的聚合反应, 在纳米粒子表面 构成聚合物层, 从而达到表面改性
• 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好 不 表面活性剂的加入浓度并不是越大越好, 能超过它的临界胶束浓度. 浓度太高, 能超过它的临界胶束浓度 浓度太高 活性 剂分子之间发生缔合, 形成了胶束, 剂分子之间发生缔合 形成了胶束 不能在 凝胶粒子表面实现包裹, 凝胶粒子表面实现包裹 或者根本没有吸附 在胶粒表面上, 因此无法分散; 浓度太低, 在胶粒表面上 因此无法分散 浓度太低 无 法起到完全分散作用. 法起到完全分散作用 表面活性剂的活性还 与溶液的pH 值有关 不同的活性剂要求的 值有关, 与溶液的 酸碱度不同. 酸碱度不同