第四章 纳米粉体的表面改性
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。
表面改性
层材料的光,电,热,化学性能等来表征表面改性的效果。
纳米二氧化硅的表面改性
由于纳米二氧化硅的粒径小、比表面大、比表面能高 ，表面带有羟基，呈亲水性，所以能否发挥其在复合材料 中的作用关键在于它的分散和与聚合物的复合。当二氧化 硅表面未经改性，与聚合物共混、共聚或接枝时，纳米二 氧化硅容易团聚，与聚合物产生相分离或发生相反转。所 以，对其进行改性是解决纳米二氧化硅团聚，制备无机有 机纳米复合材料的重要步骤。 二氧化硅的表面未经改性，体系的粘度较大，经表面 改性后，即使二氧化硅的含量高达35%（质量分数）时， 体系的粘度仍适中。 加入改性二氧化硅的复合材料的存 储模量大约是未加改性剂的2倍，丙烯酸酯的粘弹性及耐 磨性随二氧化硅含量的增加而提高。但如果纳米二氧化硅 加入过量，也会导致体系粘度增加。一般在30%~35%.
应用：
广泛应用于机械工业、国防工业航空航天领域,通过表 面改性可以使材料性能提高,产品质量提高,降低企业成 本.在提高零部件的使用寿命和可靠性,提高产品质量,以 及节约材料,节约能源等方面都有着十分重要的意义。
工艺：
表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方 法而异。目前工业上应用的表面改性工艺主要有干法工 艺、湿法工艺、复合工艺三大类。
表面改性方法
到填料表面改性的工艺。 反应，对粉体颗粒表面进行包覆，使颗粒表面改性的方 法。
面形成一层和多层包覆膜，以改善粉体表面性质。
物理涂覆：利用高聚物或树脂等对材料表面进行处理以 达
化学包覆：利用有机物分子中的官能团与填料表面发生化学
沉淀反应：通过无机化合物在颗粒表面沉淀反应，在颗粒表
插层改性：利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱
反应,并且烷氧基硅烷价格较高,在乳液聚合中易形成凝胶
纳米微粒的表面修饰
改性方法：
配制一定浓度的十二烷基硫酸钠(A. R. ) 溶液, 将一定量的 氧化铈粉末加入溶液中, 在25 ℃下用电动搅拌器搅拌1 h , 过滤, 滤饼在干燥箱中干燥2 h , 取出用气流粉碎机粉碎, 过160 目筛即得到改性的纳米氧化铈。
改性机理：
表面活性剂不仅可吸附在颗粒的表面上, 而且还可渗入到 微缝隙中并能向深处扩展, 如同在缝隙中打入一个“楔子”, 起到劈裂的作用。 当水为介质时, 十二烷基硫酸钠是阴粒子表面活性剂, 表面 带负电荷, 它可通过范德瓦尔斯力吸附于固体颗粒缝隙的表 面,使缝隙表面因带同种电荷产生排斥力。 渗透压的作用使团聚强度降低。
干燥２４ｈ。
高聚物：优良的力学性能和成膜性
陶瓷材料：良好的电性能 将具有压电性能的陶瓷与聚合物复合,所得材料可以克服陶
将填料充分
将偶联剂与其低沸点
•
干法即喷雾法
湿法称溶液法
直接加入法是将所有配合剂和树脂一起混合 （控制料温低于偶联剂的分解温度）
偶联修饰方法 纳米氧化铝具有高硬度、高强度、热稳定性好、 在乙醇溶剂中加入偶联剂，将２ｇ纳米Ａ２Ｏ３加入到水解偶联剂溶液中， 耐磨蚀等一系列特性，被用作橡胶、树脂等有 机材料的改性填料。 水浴加热至一定温度，反应一定时间后过滤，用甲苯洗涤，于６０℃真空
下表为硅偶联剂在各种无机纳米粒子表面化学结合 程度的评价．很清楚硅偶联剂对羟基含量少的碳酸
钙、碳黑、石墨和硼化物陶瓷材料不适用．
表5．6列出一些有代表性的硅偶联剂及与其 相溶的聚合物．
溶剂配制成一定浓度 脱水后在高速 的溶液,然后在一定温 分散机中,于 度下与无机填料在高 处理技术 一定温度下与 速分散机中均匀分散, 雾气状的偶联 从而达到填料的表面 • 硅烷偶联剂的实际使用方法主要有两种:预 剂反应制成活 改性. 性填料; 处理法（干法和湿法）和直接加入法；
纤维用纳米二氧化硅粉体的表面改性及表征
合成纤维 ＳＦ ０ ７ Ｎ ． １ Ｃ ２ ０ ｏ５ ９
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研 究 论 文
Ｆｉ ｅｒ Ｒｅｓ ｒ ｈ ｂ ｅａ ｃ
加热回流使其充分反应 。待混合溶液冷却 后 ，用 正 乙烷 洗涤混合溶 液 ，再 用 ４０ ０ｒ ｉ ０ ｍ ｎ的离 心机将 ／ 混合液分离 ，反复操作 ３ 。将 固体 在 ４ Ｃ左 右 次 ０。 干燥使其水分完全挥发 ，研磨 ，制得改性后的纳米
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纤 维用纳米二氧化硅 粉体 的表 面改性及表征
葛 明桥 ，陈红霞 ，李永贵 ，余天石 （ 南 大 学 生态 纺 织 教 育 部 重 点 实验 室 ，江 苏 无锡 ２ ４ ） 江 １ １２ ２
（）钛酸 酯偶联剂 Ｎ Ｚ １０表面 改性方 法 同 ２ Ｄ 一３ 上 ，使 用万分 之一天平准确称量 ０ 纳米 ＳＯ 粉 ．ｇ ４ ｉ： 体 加入 ４ ９ ０ｇ ５％的乙醇溶 液 中 ，在 单 １ ３烧瓶 ，充 分搅拌 后超声振荡 ，加入 一定量 的钛 酸酯偶联 剂 ， 加热 回流使其 充分反应 ，然 后将浆液 离心脱溶 剂 、 烘干 、研磨 ，得改性后的纳米 ＳＯ 粉末 。 ｉ
Ｓ ｉ 粉末 。 Ｏ
纳米 ＳＯ 一 醇 悬 浮液 ，测 试 其粒 径 ，测 试温 度 ｉ： 乙 ２ Ｃ ０。 。因 为制 成的 纳米 ＳＯ 粉体 粒径 是 一定的 ， ｉ：
改 性后 的纳米 ＳＯ 粉体 分散 在无 水 乙醇后 ，如所 ｉ
测得 的粒径数值越小 ，说明其改性效 果越好 。
分之一 天平 ；Ｐ ｓ２ ｈ一 ５型酸 度计 ；Ｈ 一 型磁力搅拌 Ｊ１
如 何将纳 米 ＳＯ 均匀分 散在 高分 子材 料 中 ，以提 ｉ。
无机粉体表面改性的目的、原理及方法及改性剂的选择
无机粉体表面改性的目的、原理及方法及改性剂的选择
虽然无机粉体表面改性的目的因应用领域的不同而异，但总的目的是通过粉体改性剂改善或提高粉体材料的应用性能或赋予其新的功能以满足新材料、新技术发展或者新产品开发的需要。
无机粉体改性的目的是什么呢
1.使无机矿物填料由一般增量填料变为功能性填料；
2.提高涂料或油漆中颜料的分散性并改善涂料的光泽、着色力、遮盖力和耐候性、耐热性和保色性等；
3.在无机/无机复合粉料中，提高无机组分，特别是小比例无机组分在大比例无机组分中的分散性，如陶瓷颜料和多相陶瓷材料；
4.通过对层状粉体进行插层改性，制备新型的层间插层矿物材料；
5.对于吸附和催化材料，提高其吸附和催化活性以及选择性、稳定性、机械强度等性能
6.超细和纳米粉体制备中的抗团聚；
粉体表面改性的原理和方法
1.表面或界面性质与其应用性能的关系
2.表面或界面与表面改性剂或者处理剂的作用机理和作用模型
3.各种表面改性方法的基本原理或者理论基础，包括表面改性处理过程中的热力学和动力学，模拟和化学计算等。
纳米氧化锌的制备和表面改性
1 实验部分
1. 1 主要试剂与仪器
试剂 : ZnSO4 ・7H2 O , NaHCO3 , 硬脂酸 ,异丙醇 , 无水乙醇 ,正己烷 。以上试剂均为分析纯 。 仪器 : 79 - 1 磁力加热搅拌器 ; XD - 2 型 X 射线 衍射 仪 ; KQ3200DB 型 数 控 超 声 波 清 洗 器 ; MAG2 NA550 ( Ⅱ)型傅里叶变换红外光谱仪 ; SNB - 1 数字 式黏度计 。 [3] 1. 2 室温固相法制备纳米氧化锌 以物质的量比为 1 ∶ 1 准确称取 ZnSO4 ・7H2 O 和 NaHCO3 ,置于玛瑙研钵中 , 充分研磨 30 m in。当 研磨约 5 m in 时会出现黏稠现象并有气泡产 生 , 20 m in 后逐渐干爽 。将所得混合物洗涤 、 分离 ,并在 80 ℃ 下真空干燥数小时 , 得前驱物 ZnCO3 。 将前驱
起的吸收峰 。这些微弱的吸收峰表明 能存在着微量的 ZnCO3 。
[7]
, 产物中可
图 2 纳米氧化锌及其前驱物红外光谱图
2. 3 纳米氧化锌表面改性机理探讨和改性条件
优化 图 3 为纳米氧化锌改性前后红外光谱图 ( a 为 改性后 ; b为改性前 ) 。由图 3 可以看出 , 改性前后 纳米氧化锌在 3 300 ～3 600 cm 处均出现 OH 伸 缩振动吸收峰 ,改性后的吸收明显减弱 ; 改性后 , 在 - 1 - 1 2 800 ～3 000 cm 和 1 450 ～1 550 cm 处分别出现 了 CH2 (亚甲基 ) 和 COO 的伸缩振动吸收峰 , 游离 羧基 ( COOH ) 中 的 羰 基 伸 缩 振 动 特 征 吸 收 峰 在 处 并 未 出 现 , 结 合 在 3 300 ～ 3 600 cm 氧化锌羟基和硬脂酸的羟基吸收峰大大 减弱 ,表明硬脂酸的羧基与纳米氧化锌粉体颗粒表 [8] 面的羟基发生了酯化反应 。
专题纳米粉体表面结构与团聚机理详解演示文稿
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• 物理吸附水层由于羟基的极化作用,使吸附水性更强(如 H+ 、OH- ,在吸附层的浓度远大于自由水中的浓度) 。 第1 层物理吸附水的极化又会促进第2 层、第3 层 物理吸附水极化。这种作用有利于吸附水层的增厚,当
吸附层达到一定厚度,粉表面就形成了水膜,于是产生另一
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第三章 纳米粉体团聚机理
• 3.1 纳米粉体的表面结构
• 2 大气环境下纳米粉体表面原子结构、特性 • 大多数氧化物、金属、碳化物、氮化物等纳米粉体在
大气环境下都有这种表面羟基层结构,因而它们的团聚 机理是相同的(lgd) 。
• 所不同的是,过渡层的结构及羟基的排列不同,并与制备 工艺与环境的温度、气氛等有关。所以,弄清表面羟基 层结构相互作用与导致聚集机制是研究粉体团聚机理的 前提
种大的吸引力即水膜的表面张力。极化与反极化作用 又会促进表面离子离解或水化,形成新的物质即固相
桥。活化能进一步降低,使粉间形成新相,形成一次团聚, 二次团聚。
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第三章 纳米粉体团聚机理
• 3.2 纳米粉体的团聚机理
• 1 纳米粉体团聚力的来源——大气环境 • 2） 粉体间的化学反应
面电荷彼此相互排斥，要使这些粉紧密接触会相当困难， 从而带来粉成型工艺困难（如干磨后未吸附水的粉难以干 压成型）. 即驰豫现象不会导致粉团聚，而是分散.
• 从能量的角度,弛豫导致粉体表面相互靠近至紧密接 触时,产生强大的键力而相互排斥
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第三章 纳米粉体团聚机理
• 3.1 纳米粉体的表面结构
氢键
在干燥和烧结前期,由于温度、电解质等作用,反 应活化能降低,使固相桥的生成更加容易,团聚加 剧。在干燥后期,一方面毛细表面张力或液相桥 的作用使粉不均匀聚集;另一方面, 电解质浓度 升高、温度升高使反应变快,团聚相当剧烈,有时 甚至出现超低温烧结
纳米Al(OH)3表面改性及其在EVA中的阻燃应用
第 ３ ３卷 第 ４期
２ ６正 ００
北 京 化 工 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＥＵ ＯＦ Ｂ Ｉ ＮＧ ＵＮＩ ＶＥＲＳＩ ＴＹ ＨＥＭ Ｉ ＡＬ ＴＥ ＯＦ Ｃ Ｃ ＣＨＮＯＬ ０ＧＹ
Ｖ０ ． ３ １３ ．Ｎｏ． ４
１ ３ 实验方 法 ． １３ １ 纳 米 级 Ａ ．． ＴＨ 的 表 面 改 性 将 超 重 力 法 制 备 的 纳 米 ＡＴ 滤 饼 打 浆 ， 去 离 子 水 稀 释 至 质 量 Ｈ 用 分 数 为 ８ 用 乙酸 调 节 ｐ 值 ， ％， Ｈ 使用 高 速 乳 化机 进 行 乳化 并加 热 至一 定 温 度 ， 入 一 定 浓 度 的硅 烷 偶 加 联剂 Ｇ， 控制 温度 在 一定 范 围并持续 乳 化 ３ ｎ 过 ０ 。 ｍｉ 滤并 在 １ ０ 下 干燥 １ ， １℃ ０ｈ 粉碎 即得 到 表 面 改 性 的
的阻燃应用 ， 确定 了 Ｇ的最佳质量分数 １５ ． ％和最佳改性 ｐ Ｈ值 ５ 。通过 沉降试验、 ～６ 红外 光谱 及复合材料力学性 能等对改性效果 进行了表 征 ： 改性后 粉体 在液 体石蜡 中沉降速度 明显 降低， 红外光 谱 图表 明改 性粉体 表面 有效键
合 了有 机 物 质 ， 伸 测 试 表 明 添 加 改 性 粉 体 的 复 合 材 料 力 学 性 能 明 显 提 高 。 将 改 性 纳 米 Ａ Ｈ 应 用 于 Ｅ 拉 Ｔ ＶＡ 阻 燃 。 当 无机 填 料 质 量 分 数 为 ５ ％ 时 ， 合 材 料 力 学 、 燃 性 能 即 可 达 到 性 能 要 求 。 ５ 复 阻 关 键 词 ： 米 （ 纳 ＯＨ）；表 面 改 性 ； 烷 偶 联 剂 ；乙烯 一 ３ 硅 乙酸 乙烯 酯 共 聚 物 ； 燃 材 料 阻 中 图 分 类 号 ： Ｂ ８ Ｔ ３３