纳米粒子分散性原理的研究

《纳米粒子分散性原理的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、维普资讯http://www.cqvip.com2008年第1期甘肃石油和化工2008年3月纳米粒子分散性原理的研究李彦菊，高飞，刘润静，王琰，胡永琪，赵华，赵风云(河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050018)摘要：分析了纳米颗粒团聚形成的原因，阐述了研究纳米粒子的分散意义。对纳米粒子的分散原理进行了深入的研究，为纳米粒子的稳定分散提供了理论指导。关键词：纳米粒子；分散原理；稳定分析纳米科学与技术被认为是21世纪的三大科技之一，其科学价值和应用前景已逐步被人们所认识。由于纳米材料具有独特

2、的力学、光、电、磁、吸附、气敏等性能，在传统材料中加入纳米粉体将大大改善其性能或带来某些意想不到的性质，因此纳米粒子分散成为近年来发展起来的新兴边缘学科，也是目前纳米粉体研究的热点和难点。本文作者从纳米颗粒团聚体形成的原因出发，对纳米粒子的分散原理进行了研究探讨，为纳米粒子的稳定分散提供了理论指导[1,2]。1纳米粒子的团聚当颗粒微细化后，表面原子所占比例随粒径减小而迅速增加，表面自由能增大，表面活性增强。处于表面的原子与处于晶体内部的原子所受力场有很大不同，内部原子受力为来自周围原子的对称价键力和

3、稍远原子的远程范德华力，受力对称，其价键是饱和的；表面原子受力与其邻近的内部原子的非对称价键力和其他原子的远程范德华力，受到的是不对称力，其价键是不饱和的，有与外界原子键合的倾向。颗粒的凝聚过程可看作是小粒子内作用的结合力不断形成，体系总能量不断降低的过程。该过程可以从热力学角度分析，将一个原子从内部移到表面，需对该原子做功，其△GT．P>0，该过程为非自发过程。反之，若将原子由表面移至内部，是降低其表面自由能的过程即粒子团聚过程，为自发过程，具体分析如下。设凝聚前粉体总表面为AJ)，凝聚后为Ac，

4、单位面积的表面自由能为y0，则分散状态体系的总表面能为GD=70AD，凝聚状态体系的总表面能为Gc=70Ac。由分散状态变为凝聚状态总表面自由能的变化△G为△G=Gc—GD=70(Ac—AD)，显然，AcAD，△G<0，因而凝聚状态比分散状态更为稳定，分散的粒子一有条件就要凝聚。实现粉体凝聚的推动力在干粉状态下为范德华力，在溶液中则应归之为布朗运动与范德华力的共同作用。该过程如图1所示：纳米初级粒子辇二次凝聚粒堂高密度、硬块状团聚粒子图1纳米颗粒凝聚过程示意图收稿日期：2o07—11～13。作者简介

5、：李彦菊(1981一)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事纳米材料的分散与纳米复合材料的制备等的研究。21维普资讯http://www.cqvip.com究探讨甘肃石油和化工2008年第1期阻止颗粒形成高密度、硬块状团聚粒子的方法就是减少粒子间的范德华引力，使初级粒子不易团聚成二次粒子，从而避免进一步发生原子间的键合而导致生成团聚粒子[3l。2分散原理纳米颗粒在介质中的稳定分散一般包括以下过程：润湿、机械分散及分散稳定。润湿通常指颗粒与颗粒之间的界面被颗粒与溶剂、分散剂等界面所取代的过程，颗粒与

6、溶剂润湿程度的好坏可用润湿热来描述，润湿热越大，说明固体在液体中润湿程度越好，从而颗粒在液体中的分散效果就好，反之较差。机械分散是利用剪切力将大量颗粒细化，使团聚体解聚、被润湿、包裹吸附的过程，它主要属于物理分散过程。分散稳定是指将原生粒子或较小的团聚体在静电斥力、空间位阻斥力作用下来屏蔽范德华引力，使颗粒不再聚集的过程[·5l。颗粒之间总的作用势能可以表示为：VT：wA+ER+(1)式(1)中，为范德华引力势能；为双电层斥力势能；为空间位阻斥力势能。2．1双电层排斥理论双电层排斥理论主要是DLVO

7、理论，该理论是在忽略了高分子能够在粒子表面形成吸附层同时也忽略了由于聚合物吸附而产生一种新的斥力——空间位阻斥力的情况下成立的。该理论揭示了纳米颗粒表面所带电荷与稳定性的关系，通过调解溶液的pH值或外加电解液等方法，来增加颗粒表面电荷，形成双电+层，通过Zem电位增加，使颗粒产生静电排斥一维普资讯http://www.cqvip.com2008年第1期李彦菊等：纳米粒子分散性原理的研究研究探讨1K=[l87c班Z]J(7)式中，为每平方厘米上的离子数；Z为离子的化合价；为Boltmmnn常数；e为离

8、子的静电电荷；e为溶剂的介电常数；o为颗粒表面电势。从两颗粒相互作用势能图3可知，颗粒间彼此接近时，排斥势能与引力势能同时增大，但在不同区域间增长速率不同，产生一个最大值和一两个最小值，最大值为势垒是颗粒聚集必须克服的活化能。势垒的数值取决于颗粒大小和它们之间的表面势能。两个最小f{／、、值为势阱，在第一个最小值发生团聚，呈不可逆，称为硬团聚；一引力能l、在第二个最小值发生团聚，是可逆的，称为软团聚，以通过搅拌可以再分散。从势能曲线可以看出为获得稳定分散体系必须图3颗