纳米材料导论 1-1化学特性

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1、附加：纳米微粒的化学特性F1.吸附吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象．吸附可分成两类，一是物理吸附，吸附剂与吸附相之间是以范德瓦尔斯力之类较弱的物理力结合；二是化学吸附，吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合．纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不足．与相同材质的大块材料相比较，有较强的吸附性．被吸附物质的性质溶剂的性质溶液的性质电解质和非电解质溶液溶液的PH值不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大差别．影响纳米粒子吸附性的因素：F1.1.非电解质的吸附非电解质是指电中性的分子，它们可通过氢键、范德瓦耳斯力、偶极子的弱静电引力吸附在粒子表面．其中主要是以氢

2、键形成而吸附在其它相上．在低pH下吸附于氧化硅表面的醇、酰胺、醚分子吸附不仅受粒子表面性质的影响，也受吸附相的性质影响，即使吸附相是相同的，但由于溶剂种类不同吸附量也不一样．例如：粒子为氧化硅，直链脂肪酸为吸附相：A：溶剂为苯：吸附量小（形成的氢键少）B：溶剂为正己烷：吸附量大从水溶液中吸附非电解质时，pH值影响很大。pH值高时，氧化硅表面带负电，水的存在使得氢键难以形成，吸附能力下降。F1.2.电解质吸附电解质在溶液中以离子形式存在，其吸附能力大小由库仑力来决定．纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象大多数属于物理吸附。由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不

3、饱和性，致使纳米粒子表面失去电中性而带电(例如纳米氧化物，氮化物粒子)，而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离子吸引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附主要是通过库仑交互作用而实现的．带负电的粘土超微粒子很容易把带正电的Ca2+离子吸附到表面，这里Ca2+离子称为异电离子。此为物理吸附过程，具有层次，吸附层的电学性质也有很大的差别．A：靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为紧密层，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性；B：离超微粒子稍远的Ca2+离子形成较弱的吸附层，称为分散层．由于强吸附层内电位急骤下降，在弱吸附层中缓慢减小，结果在整个吸附层中产生电

4、位下降梯度．C：上述两层构成双电层．例如，纳米尺寸的粘土小颗粒在碱或碱土类金属的电解液中：F2纳米微粒的分散与团聚2．1分散在纳米微粒制备过程中．如何收集是一个关键问题，纳米微粒表面的活性使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体．这给纳米微粒的收集带来很大的困难．为了解决这一问题，无论是用物理方法还是用化学方法制备纳米粒子经常采用分散在溶液中进行收集．尺寸较大的粒子容易沉淀下来．当粒径达纳米级(1—100nm)，由于布朗运动等因素阻止它们沉淀而形成一种悬浮液(水溶胶或有机镕胶)．这种分散物系又称作胶体物系，纳米微粒称为胶体．即使

5、在这种情况下，由于小微粒之间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生．如果团聚一旦发生，通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体打碎。原理：由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分散剂中．(1)加入反絮凝剂形成双电层反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电类型等来定，即：选择适当的电解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的．为了防止小颗粒的团聚可采用下面几种措施：为了防止分散的纳米粒子团聚也可加入表面活性剂，使其吸附在

6、粒子表面，形成微胞状态，由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，使得粒子间不能接触，从而防止团聚体的产生．这种方法对于磁性纳米颗粒的分散制成磁性液体是十分重要的．磁性纳米微粒很容易团聚，这是通过颗粒之间磁吸引力实现的，因此，为了防止磁性纳米微粒的团聚，加入界面活性剂．例如油酸，使其包裹在磁性粒子表面，造成粒子之间的排斥作用，这就避免了团聚体的生成．(2)加表(界)面活性剂包裹微粒Papell在制备Fe3O4的磁性液体时就采用油酸防止团聚2．2微粒的团聚悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳斯力作用很容易发生团聚，而由于吸附在小颗粒表面形成的具有一定电位梯度的

7、双电层又有克服范德瓦耳斯力阻止颗粒团聚的作用．因此，悬浮液中微粒是否团聚主要由这两个因素来决定．F3.流变学F3.1磁性液体的粘度(1)磁液的基本知识磁性材料中，不论它是单晶的还是多晶的，金属的还是氧化物的，晶态的还是非晶态的，块状的还是薄膜状的都属固体状态，而本节所论述的却是液态磁性材料，以下简称为磁液。本节所论述的磁液：具有强磁性具有流动性在重力，电磁力作用下能长期稳定地存在不产生沉淀与分层磁液：由磁性微粒通过界面活性剂高度分散于载液中而构成的稳定胶体体系．磁液是由磁性微粒、界面活性剂和载液三者组成，三者关系如图所示磁性微粒可以是：Fe3O4，γ-F

8、e2O3、单一或复合铁氧体、纯铁粉、纯钴粉、铁-钴合金粉、稀土水磁粉等，目前常用