納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施

1、納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施摘要摘要:分析了納米顆粒團(tuán)聚的影響因素及形成機(jī)理指出了納米顆粒的形成原因分別討論了在氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)兩種環(huán)境中納米顆粒團(tuán)聚的控制方法并對(duì)幾種特殊的團(tuán)聚控制方法進(jìn)行了重點(diǎn)探討。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:納米顆粒團(tuán)聚形成機(jī)理控制方法1引言團(tuán)聚現(xiàn)象是納米粉體制備及收集過(guò)程中的一個(gè)難題目前已經(jīng)得到了越來(lái)越多有關(guān)人士的重視。納米顆粒由于粒度小表面原子比例大比表面積大表面能大處于能量不穩(wěn)定狀態(tài)[1]因而很容易凝并、團(tuán)聚形成二次

2、粒子使粒子粒徑變大失去納米顆粒所具備的特性給納米粉體的制備和保存帶來(lái)了很大困難。在當(dāng)今的納米粉體制備工藝中防止粒子團(tuán)聚作為一項(xiàng)重要工作其目的就是收集粒度分布范圍窄、分布均勻且無(wú)團(tuán)聚大顆粒出現(xiàn)的高純粉體。顆粒的團(tuán)聚可分為兩種:軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚[2]。軟團(tuán)聚主要是由顆粒間的靜電力和范德華力所致由于作用力較弱可以通過(guò)一些化學(xué)作用或施加機(jī)械能的方式來(lái)消除硬團(tuán)聚形成的原因除了靜電力和范德華力之外還存在化學(xué)鍵作用因此硬團(tuán)聚體不易破壞需要采取一些特殊的

3、方法進(jìn)行控制。2納米顆粒團(tuán)聚的形成機(jī)理納米粒子具有特殊的表面結(jié)構(gòu)其表面缺少鄰近配位原子具有很高的活性因而很容易發(fā)生團(tuán)聚。顆粒團(tuán)聚程度可以用團(tuán)聚系數(shù)AF(50)表示：AF(50)=中等尺寸團(tuán)聚體的直徑微粒的平均當(dāng)量直徑式中中等尺寸團(tuán)聚體的直徑即為在粒度分析中50%累計(jì)質(zhì)量的直徑。分析上式可知團(tuán)聚系數(shù)越大表示粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重。一般情況下未經(jīng)特殊處理的超細(xì)粉末在水中的團(tuán)聚系數(shù)的值在30左右。研究發(fā)現(xiàn)造成納米顆粒團(tuán)聚的因素很多歸納起來(lái)主要包

4、括以下幾個(gè)方面:①顆粒細(xì)化到納米量級(jí)以后其表面積累了大量的正電荷或負(fù)電荷顆粒形狀極不規(guī)則造成表面電荷的聚集使粒子極不穩(wěn)定因而易發(fā)生團(tuán)聚②納米顆粒的表面積大表面能高處于能量的不穩(wěn)定狀態(tài)很容易發(fā)生聚集而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)③納米顆粒之間的距離極短相互間的范德華引力遠(yuǎn)大于自身的重力因此往往相互吸引而發(fā)生團(tuán)聚④納米顆粒之間表面的氫鍵、化學(xué)鍵的作用也易導(dǎo)致粒子之間的互相吸附而發(fā)生團(tuán)聚[3]。3納米顆粒團(tuán)聚的控制方法3.1氣體介質(zhì)中納米顆粒團(tuán)聚的控制3.1

5、.1機(jī)械分散機(jī)械分散是用機(jī)械力把顆粒聚團(tuán)打散。機(jī)械分散的必要條件是機(jī)械力(通常是指流體的剪切力及壓差力)應(yīng)大于顆粒間的粘著力。機(jī)械分散的實(shí)現(xiàn)比較容易但它是一種強(qiáng)制性分散。互相粘結(jié)的顆粒盡管可以通過(guò)機(jī)械力被打破但是它們之間的作用力仍然存在處理過(guò)程完成以后它們可能重新團(tuán)聚。因此增加后續(xù)工作與其它方法配合使用可以使本方法的工藝更加完善。目前此方法多用于防止顆粒間軟團(tuán)聚的形成以及消除已經(jīng)形成的軟團(tuán)聚。3.1.2干燥處理干燥處理是為了防止和破壞納

6、米顆粒間的液橋。在潮濕環(huán)境下納米顆粒之間易形成液橋并且液橋力很大因此杜絕液橋的形成或破壞已經(jīng)形成的液橋可以避免顆粒團(tuán)聚的發(fā)生。此方法對(duì)液體介質(zhì)中納米顆粒的團(tuán)聚控制同樣有效并且目前多采用特殊干燥工藝。3.1.3靜電分散工藝為冷凍干燥和超臨界流體干燥冷凍干燥是利用水的特性在充分冷卻使水轉(zhuǎn)化為冰后體積膨脹增大可以使靠近的納米顆粒適當(dāng)分開(kāi)阻止了團(tuán)聚體的形成超臨界流體干燥法是利用超臨界流體對(duì)有機(jī)溶劑的很強(qiáng)的溶解能力把納米顆粒形成的膠體中的有機(jī)物除

7、去。本工藝的原理是由于超臨界流體在臨界點(diǎn)以上氣液相沒(méi)有截面存在因而可以避免表面張力的作用防止粒子團(tuán)聚。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所馬池明等人研究了超臨界流體干燥法在制備納米Al2O3粒子中的應(yīng)用分析了干燥操作參數(shù)對(duì)納米顆粒分散性能的影響。3.2.5超聲空化將超聲空化[9]作用應(yīng)用于溶膠凝膠法制備納米粉體的過(guò)程中可以有效地防止納米粒子的團(tuán)聚其原理為超聲空化作用產(chǎn)生的高溫高壓將加速水分子的蒸發(fā)防止氫鍵形成另外它產(chǎn)生的沖擊波和微射流具有粉碎作

8、用可以使已經(jīng)形成的團(tuán)聚體破碎同時(shí)超聲波的攪拌作用可以使形成的膠粒充分分散。4結(jié)束語(yǔ)納米顆粒雖然易團(tuán)聚但只要針對(duì)不同的團(tuán)聚機(jī)理采用相應(yīng)的分散技術(shù)是可以使團(tuán)聚得到控制的。對(duì)氣相中的納米粉末可采用消除氣相中的水分減少納米顆粒的靜電荷量等手段使其充分分散對(duì)液相中的納米粉末可采用加入分散劑的方法增強(qiáng)溶劑化排斥作用增加納米顆粒表面雙電層電位的絕對(duì)值使靜電斥力增大和提高分散劑在顆粒表面的吸附作用等方法使納米粉末達(dá)到分散的目的。值得一提的是納米顆粒在液

9、體介質(zhì)尤其是水中的團(tuán)聚是目前亟待解決的問(wèn)題同時(shí)也是今后納米粉體制備研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn):[1]馮拉俊等.納米顆粒團(tuán)聚的控制.微納電子技術(shù).2003.[2]李鳳生等.超細(xì)粉體技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2000.[3]盧壽慈.粉體加工技術(shù)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社1999.[4]張世偉楊乃恒.納米粒子在氣體流動(dòng)中的團(tuán)聚過(guò)程研究[J].真空科學(xué)與技術(shù).2001.[5]徐明霞方洞浦楊正方.高分子型表面活性劑在氧化鋯粉末制備過(guò)程中的作