納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施

1、納米顆粒團(tuán)聚問題的研究進(jìn)展關(guān)鍵詞納米顆粒；表面修飾；復(fù)合材料；超聲分散；偶聯(lián)劑.納米科技作為21世紀(jì)影響人類發(fā)展方向的高新技術(shù)具有奇妙而光明的應(yīng)用情景，而其中納米復(fù)合材料由于其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)成為納米材料工程的重要組成部分。所謂“納米復(fù)合材料”指分散相尺度至少有一維小于100nm的復(fù)合材料即把納米顆粒分散到常規(guī)的三維固體中。用這種方法獲得的納米復(fù)合材料尤其是有機(jī)無(wú)機(jī)分子存在相互作用的復(fù)合材料由于其優(yōu)越性能和廣泛的應(yīng)用前景已成為當(dāng)今納米

2、材料學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，但是納米顆粒本身極易團(tuán)聚，因而獲得理想的有機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的首要問題是如何將納米顆粒分散到有機(jī)聚合物中。研究表明采用適當(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)方法對(duì)納米顆粒進(jìn)行有效分散和表面修飾可以解決這個(gè)問題，筆者綜合了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)納米顆粒的團(tuán)聚問題作一綜述。1納米顆粒的團(tuán)聚原理1.1納米顆粒的表面效應(yīng)所謂“納米顆?！笔侵肝镔|(zhì)顆粒體積效應(yīng)和表面效應(yīng)兩者之一顯著變化或兩者都顯著變化的顆粒，納米顆粒的表面效應(yīng)是指納米顆粒的表面

3、原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。納米顆粒具有很高的表面積，當(dāng)納米顆粒的粒徑在10nm以下時(shí)，表面原子的比例迅速增加，當(dāng)粒徑降至1nm時(shí)，表面原子比例高達(dá)90%以上，原子幾乎全部集中到顆粒的表面，處于高度活化狀態(tài)，導(dǎo)致表面原子配位數(shù)不足和高表面能，從而使這些原子極易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，可見，納米顆粒具有很高的化學(xué)活性，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的表面效應(yīng)。1.2布朗運(yùn)動(dòng)顆粒與溶劑的碰撞使得顆粒具有與周圍顆粒相同的動(dòng)能

4、，因此小顆粒運(yùn)動(dòng)得快，納米小顆粒在做布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此會(huì)經(jīng)常碰撞到，由于吸引作用，它們會(huì)連接在一起，形成二次顆粒。二次顆粒較單一顆粒運(yùn)動(dòng)的速度慢，但仍有機(jī)會(huì)與其他顆粒發(fā)生碰撞，進(jìn)而形成更大的團(tuán)聚體，直到大到無(wú)法運(yùn)動(dòng)而沉降下來(lái)。1.3范德華力和氫鍵的影響懸浮在溶液中的微粒普遍受到范德華力的作用，很容易發(fā)生團(tuán)聚。范德華力與顆粒直徑成反比，納米顆粒由于尺寸小，因而具有較強(qiáng)的范德華力作用。常見的納米顆粒如SiO2顆粒是由剛性、實(shí)心、極細(xì)的球狀顆粒組

5、成，生成時(shí)眾多顆粒熔結(jié)在一起，形狀很不規(guī)則，且納米SiO2分子表面有很多的OH，水分子很容易和表面的OH生成氫鍵，具有親水的強(qiáng)極性表面，它們之間由于氫鍵和范德華力的吸引而容易生成集結(jié)群，受力后易分開，但很容易再集結(jié)。2分散方法納米顆粒在溶劑中的分散屬于溶膠，如果經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間膠體顆粒仍能保持分散狀態(tài)，這個(gè)體系就是穩(wěn)定的，我們所研究的納米顆粒的分散屬于疏水體系，始終具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性，需要外力（如超聲、攪拌等）的參與使其保持一定的（動(dòng)力學(xué)）

6、穩(wěn)定性。為了達(dá)到膠體化學(xué)意義上的穩(wěn)定狀態(tài)有兩種途徑：（1）使顆粒帶上相同符號(hào)的電荷，彼此互相排斥。（2）通過在顆粒表面吸附某種物質(zhì)如高分子，阻止顆粒的相互接近，這兩種機(jī)制結(jié)合起來(lái)被稱為“靜電空間位阻穩(wěn)定作用”。目前常采用的分散方法有物理的和化學(xué)的方法。2.1物理分散方法物理分散方法常用的有機(jī)械分散法和超聲分散法。機(jī)械法主要是利用機(jī)械應(yīng)力作用有目的地對(duì)粒子表面進(jìn)行激活以改變其表面晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，而超聲分散法是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

7、利用超聲波可以有效地將納米顆粒的軟團(tuán)聚打開，粉體由于強(qiáng)烈的沖擊、剪切、研磨后以更為均勻的小的團(tuán)聚體分散在介質(zhì)中。超聲時(shí)間對(duì)顆粒的分散性影響較大，他們把超聲時(shí)間從0.5s增加到1s，顆粒在介質(zhì)中的分散性明顯改善，團(tuán)聚體體積變小且分布更趨均勻，但超聲時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象反而加劇，這值為3:，因此根據(jù)零電點(diǎn)值并控制溶液的89值，可以通過表面活性劑吸附而獲得有機(jī)化改性。例如0123的零電點(diǎn)89值很低，故可在中性或堿性溶液中吸附陽(yáng)離子表

8、面活性劑而獲得有機(jī)改性：一種較好的方法是通過某些無(wú)機(jī)陽(yáng)離子使0123表面由負(fù)電荷變?yōu)檎姾?，然后再吸附陰離子表面活性劑即可獲得憎水性0123!(#。有人報(bào)道!(#采用表面活性劑對(duì)123.納米復(fù)合粒子進(jìn)行表面處理取得成功的例子，活性劑吸附在顆粒表面形成微泡狀態(tài)，顆粒間產(chǎn)生相互排斥力，不發(fā)生接觸，從而防止團(tuán)聚體的產(chǎn)生，據(jù)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合納米顆粒表現(xiàn)出良好的分散狀態(tài)，出現(xiàn)一定數(shù)量的原生顆粒分布，無(wú)大團(tuán)聚體。表面改性使粒子表面形成了包敷膜，改