第二章 纳米粉体分散的胶体科学基本原理
2.3 纳米粉体的分散
球磨时间对粉体性质的影响
2012-4-5
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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。
纳米分散原理
纳米分散原理是指将固体颗粒或液体分散成纳米级别的颗粒或液滴的过程。
在纳米分散过程中，通过适当的分散剂或表面活性剂，可以使颗粒或液滴均匀地分散在溶剂中，形成稳定的分散体系。
纳米分散原理主要涉及两个方面：分散剂的作用和分散机制。
1. 分散剂的作用：分散剂是一种表面活性剂，它在溶剂中形成一层分散剂分子的吸附层，使颗粒或液滴表面带有电荷，从而相互排斥，防止颗粒或液滴的聚集和沉淀。
分散剂还可以改变颗粒或液滴的表面性质，使其更易于分散。
2. 分散机制：纳米颗粒或液滴的分散机制主要有物理分散和化学分散两种。
- 物理分散：物理分散是通过机械力或超声波等物理手段将颗粒或液滴分散到纳米级别。
在物理分散过程中，颗粒或液滴受到机械力的作用，使其分散成较小的颗粒或液滴。
- 化学分散：化学分散是通过化学反应将颗粒或液滴分散到纳米级别。
在化学分散过程中，分散剂与颗粒或液滴表面发
生化学反应，改变其表面性质，使其分散成纳米级别的颗粒或液滴。
纳米分散技术在材料科学、生物医学、环境保护等领域具有广泛的应用前景。
通过纳米分散技术，可以制备出具有特殊性能和功能的纳米材料，如纳米颗粒、纳米薄膜等，用于制备新型材料、药物传递系统、催化剂等。
粉体的分散与表面能
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
纳米粉体的分散
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
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， 德华力作用引起的聚集，可以用机械 的办法分开
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
• 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
纳米粒子的团聚形成机理及分散方法
纳米粒子的团聚形成机理及分散方法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。
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（1）按分散相粒子的大小分类
1.分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶， 没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9 m以 下 。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。 2.胶体分散体系 分散相粒子的半径在1 nm~1000nm之间的体系。目 测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。 3.粗分散体系 当分散相粒子大于1000 nm，目测是混浊不均匀体 系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。
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Brown运动的本质
1905年和1906年爱因 斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍 夫斯基（Smoluchowski)分 别阐述了Brown运动的本质。 认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力 对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所 以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增 大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。
2.亲液溶胶 胶体中的分散相粒子与分散介质是彼此润湿的。 一旦将溶剂蒸发，分散相粒子便会析出，再加入 溶剂，又可形成溶胶。 亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。
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第二章 第1节
亲液溶胶和疏液溶胶 根据分散相是否亲液 判断依据是体系经干燥后能否被再次分散。 亲液溶胶是热力学稳定、可逆的体系 疏液溶胶属于热力学不稳定体系。即需要外力来 破坏粒子间的团聚，才能稳定存在一段时间。同 时其稳定向受体系盐浓度的影响。 如果用水作为分散介质（溶剂），则胶体被分成 亲水体系和疏水体系。 本课程研究的纳米粉体的分散属于疏水体系
当半径大于5 m，Brown运动消失。
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Brown运动的本质
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第二章 第2节
爱因斯坦利用分子运动论，并假定胶体粒子是球 形的，得到粒子作布朗运动移动的平均位移公示
x RT t Rt T f (T , , r ) N A 3πηr 3N A r
第1节 胶体状态的本质
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第二章 第1节
分散体系：把一种物质或几种物质分散在 另一种物质中所构成的体系
分 散 相：分散体系中被分散的物质
分散介质：分散相所分散其中的物质
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常见的分散体系
云 牛奶 珍珠
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分散体系分类
分类体系通常有三种分类方法： •分子分散体系 按分散相粒子的大小分类： •胶体分散体系 •粗分散体系 •液溶胶 按分散相和介质的聚集状态分类： •固溶胶 •气溶胶 •憎液溶胶 按胶体溶液的稳定性分类： •亲液溶胶
固-固溶胶 固-液溶胶 有色玻璃，不完全互溶的合金 珍珠，某些宝石
固-气溶胶 泡沫塑料，沸石分子筛
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（2）按分散相和介质聚集状态分类
3.气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散 相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没 气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均体系 ，不属于胶m之间的难溶物固体粒子
分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是
热力学上的不稳定体系。
一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成
溶胶，是 一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘
化银溶胶等。 这是胶体分散体系中主要研究的内容。
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（3）按胶体溶液的稳定性分类
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（2）按分散相和介质聚集状态分类
1.液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相 为不同状态时，则形成不同的液溶胶：
液-固溶胶： 油漆、AgI溶胶等
液-液溶胶： 牛奶、石油原油等乳状液
液-气溶胶： 泡沫
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（2）按分散相和介质聚集状态分类
2.固溶胶
将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为 不同状态时，则形成不同的固溶胶：
x－－观察时间t内的平均位移 r－－微粒的半径 η－－介质的粘度 NA－－阿伏加德罗常数
这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度 、温度以及观察时间等联系起来。
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沉降平衡
溶胶是高度分散体系，胶
粒一方面受到重力吸引而下降，
另一方面由于布朗运动促使浓 度趋于均一。 当这两种效应相反的力相 等时，粒子的分布达到平衡，
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作业
1、名词解释： 分散体系、分散相、分散介质 2、根据分散相粒子大小不同，举例说明 分散体系可区分为那些类型，各自的 特性有哪些？ 3、根据分散相是否亲液，胶体可以区分 为哪两种类型？判断依据是什么？分 别具有哪些特点？
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第2节 胶体的动力学性质
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纳米粉体的分散 及表面改性
材料学院 王晓冬
第二章 纳米粉体分散的胶体科学基本原理
1
胶体状态的本质
2 3 4
5 6
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胶体的动力学性质
胶体的表面电荷及双电层结构
胶体的电动现象
胶体的稳定与失稳
分子间作用力及宏观物体的相互作用能
纳米材料导论-第一章
第二章 纳米粉体分散的胶体科学基本原理
气-固溶胶 烟，含尘的空气
气-液溶胶 雾，云
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第二章 第1节
胶体的本质：是物质以一定分散程度 而存在的一种状态，而不是一种特殊 物质的固有状态
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胶体体系的3个特征
1、高度分散的多相性 2、动力学稳定 3、热力学不稳定性
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（3）按胶体溶液的稳定性分类
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布朗运动
1903年发明了超显微 镜，为研究布朗运动提供 了物质条件。 用超显微镜可以观察 到溶胶粒子不断地作不规 则“之”字形的运动，从 而能够测出在一定时间内 粒子的平均位移。 通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动 越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温 度的升高而增加。（播放短片）
胶体的动力学性质
• Brown 运动 • 胶粒的扩散
• 溶胶的渗透压
• 沉降平衡
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布朗运动
1827 年植物学家布朗(Brown)用显微镜观察到
悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。
后来又发现许多其它物质如煤、 化石、金属等
的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动
为布朗运动。 但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有 得到阐明。