纳米材料粒度分析.doc

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1、纳米材料粒度分析一、实验原理纳米颗粒材料（粒径<100nm）是纳米材料中最重要的一种，可广泛用于纳米复合材料制备中的填料、光催化颗粒、电池电极材料、功能性分散液等。粒径(或粒度)是纳米颗粒材料的一个非常重要的指标。测试颗粒粒径的方法有许多种，其中，电子显微镜法和激光光散射法均可用纳米材料粒度的测试，电子显微镜法表征纳米材料比较直观，可观察到纳米颗粒的形态，但需要通过统计计数（一般需统计1000个以上颗粒的粒径）方法来得到颗粒粒径，比较烦琐费时，尤其是在纳米颗粒的粒径分布较宽时，统计得到的粒径及粒径分布误差将增大。激光光散射法得到的纳米颗粒粒径具有较好的

2、统计意义，制样简单，测试速度快，但激光光散射法无法观察到颗粒形态，在测试非球形颗粒时测试误差也较大。因此，上述两种纳米材料的测试方法各有优缺点。本实验选用激光光散射法测试纳米材料的粒径及粒径分布。所用仪器为Beckman-coulterN4Plus型激光粒度分析仪。图1为N4Plus型激光粒度分析仪的测量单元组成图，主要由HeNe激光光源、聚焦透镜、样品池、步进马达、光电倍增管(PMT)、脉冲放大器和鉴别器(PAD)、数字自相关器、6802微处理器和计算机组成。图1N4Plus型激光粒度测试仪的测量单元组成图N4Plus型激光粒度分析仪的测量原理主要基

3、于颗粒的布朗(Brownian)运动和光子相关光谱(PhotonCorrelationSpectroscopy,PCS)现象。在溶液中，粒子由热导致与溶剂分子发生随机碰撞所产生的运动称为布朗运动，由于布朗运动，粒子在溶液中可发生扩散移动。在恒定温度及某一浓度下，粒子的平移扩散系数与颗粒的粒径成反比，即符合Stokes-Einstein方程：（1）式中kB为玻尔兹曼常数(1.38×10-16erg/°K)，T为温度(°K)，hWord资料为分散介质(或稀释剂)粘度(poise)，d为颗粒粒径(cm)。当激光束照射到溶液中的悬浮颗粒上时，由于颗粒的随机布朗

4、运动，颗粒产生的散射光强也将不断起伏波动，这种现象称作光子相光光谱现象，如图2所示。布朗运动越强烈，散射光强随机涨落的速率也就越快，反之亦然。利用光子相光光谱法测量的粒径是下限大约是3~5nm。图2散射光强随时间的起伏涨落当入射光场为稳定的高斯光场时，散射光强的时间自相关函数（AutocorrelationFunction,ACF）可以表示为（2）式中，A为光强自相关函数G(2)(t)的基线，b为约束信噪比的实验常数，A和b是依赖于样品、装置结构和光电子技术效率的常数，g(1)(t)为散射光场的电场强度自相关函数。通过数字相关仪测得的时间自相关函数G(

5、2)(t)，即可得到被测颗粒的粒径信息。对于最简单的单分散颗粒系，其光强自相关函数服从洛仑兹分布，是一指数衰减函数，可表示为（3）式中G为Rayleigh线宽。光强自相关函数G(2)(t)如图3所示。Word资料图3自相关函数（ACF）G与表征颗粒布朗运动的平移扩散系数D存在如下关系：（4）式中q是散射矢量，由下式决定（5）式中l0是入射光在真空中的波长，q是散射角，n为分散介质折射率。根据G值，可从式(4)求得颗粒平移扩散系数D，最后由式(1)求得被测颗粒试样的粒径。需要注意的是，Stokes-Einstein公式是在不存在其他作用里的条件下得到的。

6、为此，在应用PCS法测量时溶液中的颗粒浓度应充分稀释，颗粒表面也不应有静电荷，以避免颗粒间的相互作用。对多分散颗粒系，电场自相关函数为单指数加权之和或者分布积分（6）式中，G(G)为依赖于光强的归一化线宽分布函数。由式(6)求得G(G)后，光强随颗粒粒径的分布函数G(D)可由Stokes-Einstein关系式从G(G)中换算获得。通常G2(t)由数字相关仪测得，继而根据式(1)换算得到电场自相关系数g(1)(t)，然后应用最小二乘法拟合优化求解式(6)中的G(G)，以使目标函数极小，最后求得颗粒分布。方程(6)称为第I类Fredholm积分方程，它的

7、求解是一个病态问题，对同一个g(1)(t)存在无限多个的符合G(G)的方程。目前，学者们已经提出了多种不同的近似求解方法，如累积分析法、双指数法、直方图法、非负约束最小二乘法和CONTIN法等。N4Plus粒径分析仪数据处理方法[4]N4Plus粒径分析仪提供了两种粒径分析模式，即unimodal和SDP(SizeDistributionProcessor)。Unimodal模式主要用于分析粒径分布较窄的颗粒，可得出强均粒径(meanintensity-weightedparticlesize)和标准偏差(standarddeviation)，其中标准

8、偏差可在一定程度上反映粒径分布，但对于粒径分布较宽或存在多峰分布的颗粒误差较大。SDP模式分析