纳米粉体的团聚与分散汇总课件.ppt

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1、纳米粉体的团聚与分散1.纳米粉体团聚机理1.1清洁粉体的表面原子结构、特性：表面原子排列突然中断，如果在该处原子仍按照内部方式排列，则势必增大系统的自由能(主要是弹性能)。为此，表面附近原子排列必须进行调整。调整方式有两种：(1)自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同；(2)靠外来因素调整，如吸附杂质，生成新相等。1.纳米粉体团聚机理几种清洁表面结构自行调整形式：驰豫重构偏析吸附化合物台阶如果是同种粉体，无论杂质存在与否，由于驰豫产生的表面电荷彼此相互排斥，要使这些粉紧密接触会相当困难，从而带来粉

2、成型工艺困难（如干磨后未吸附水的粉难以干压成型）。即驰豫现象不会导致粉团聚，而是分散。从能量的角度,弛豫导致粉体表面相互靠近至紧密接触时,产生强大的键力而相互排斥。1.纳米粉体团聚机理其它几种靠表层原子自行调整方式，如重构、偏析、台阶也不会导致粉团聚，即粉体自身表面结构调整是不会导致团聚。因此，导致团聚的因素必定是外来因素，即化学吸附或有新化合物生成引起的。当使用的纳米粉之间不起化学反应，也没有足够的能量进行成核、长大，那么引起团聚的因素就一定与环境介质有关，如化学反应或化学吸附。1.纳米粉体团聚机

3、理1.2大气环境下的纳米粉体表面原子结构、特性由于粉体外表面结构不同于内表面的结构,导致过剩能量即表面能的产生。随着粉体变细,其比表面积增加,表面能增大,表面效应、量子尺寸效应增强,使纳米粉的表面性质变得更加活跃,许多在加热条件下或高温下才发生的化学反应,在常温下已经很剧烈了。纳米粉能够从空气中吸附大量的水,在表面形成羟基层和多层物理吸附水。1.纳米粉体团聚机理—OH峰取α-Al2O3纳米（60nm）粉于120℃保温1h，密封。用FT-TR红外光谱仪进行测试。其块状单晶无此峰α-Al2O3粉体的FT

4、-TR红外光谱图从亚微米到纳米级α-Al2O3粉在常温下和空气中都具有如图所示的吸湿曲线,且吸湿性随表观密度、粒度的减小而增强。将纳米α-Al2O3粉末少量入坩埚，放入通N2气的高温炉中加热至900℃，恒温1h，冷却至180℃时，迅速用耐高温密封胶密封.至室温后，称重.打开盖子，让α-Al2O3粉吸附空气中的水分，每3min称量一次。α-Al2O3粉体的吸湿曲线8h吸附水量为30×10-3g，比亚微米粉体吸水大得多.对于粒径为Φ=60nm的纳米粉来说，远远超过单位表面最大单层化学吸附量(表面全为羟基

5、时，约1×1018个/m2).这表明纳米粉吸附空气中水反应生成羟基后，羟基又以物理吸附的形式继续吸附空气中的水.物理吸附水量随时间有不断增加趋势，这是粉体表面自由能不断降低，趋向稳定结构的结果.大多数氧化物、金属、碳化物、氮化物等纳米粉体在大气环境下都有这种表面羟基层结构,因而它们的团聚机理是相同的。所不同的是,过渡层的结构及羟基的排列不同,并与制备工艺与环境的温度、气氛等有关。所以,弄清表面羟基层结构相互作用与导致聚集机制是研究粉体团聚机理的前提。团聚机理团聚硬团聚：在强的作用力（化学键力）下使颗

6、粒团聚在一起，不能用机械的方法分开软团聚：一种由颗粒间静电引力和范德华力作用引起的聚集，可以用机械的办法分开物理吸附水层由于羟基的极化作用,使吸附水性更强(如H+、OH-,在吸附层的浓度远大于自由水中的浓度)。第1层物理吸附水的极化又会促进第2层、第3层物理吸附水极化。这种作用有利于吸附水层的增厚,当吸附层达到一定厚度,粉表面就形成了水膜,于是产生另一种大的吸引力即水膜的表面张力。极化与反极化作用又会促进表面离子离解或水化,形成新的物质即固相桥。活化能进一步降低,使粉间形成新相,形成一次团聚,二次团

7、聚。1.3粉体间的化学反应：羟基层间的氢键和范德华力作用只能使粉体间形成软团聚,羟基层间化学反应使氧化物、金属、碳化物、氮化物等纳米粉体产生硬团聚。随着温度变化与水分的蒸发,在表面易发生化学反应,生成氧桥、盐桥或有机桥等键合聚集体,即硬团聚体,这种反应往往是不可逆的。1.4水在粉体团聚中的作用在有水气存在的干燥、热解等加热过程中,水成为粉体团聚的促进剂。一方面使粉体表面生成羟基,粉体间相互由排斥变为吸引,温度的作用降低了反应的活化能,提高了反应速度;另一方面,水在粉体的团聚反应过程中不是被消耗掉,而

8、是作为催化剂。所以,只要存在微量的水,在生产和加热过程中就会产生大量的团聚,且温度越高,时间越长,团聚越严重。二次粒子越大。纳米微粒表面间的反应动力学还需要进一步研究a.表面羟基层结构是大多数氧化物、金属、碳化物、氮化物等纳米粉体在大气环境下的共同表面结构,因而它们的团聚机理是相同的。b.高的比表面积和表面能是纳米粉体团聚的强大动力,但洁净纳米粉体表面的结构自身调整不是导致粉体间团聚,而是导致分散,只有外来物质(如空气、水等)在表面的化学吸附与化学反应,改变了表面结构