表面活性剂在制备纳米颗粒所起的作用.pptVIP

什么是表面活性剂（Surfactant）？ 肥皂的亲油基与亲水基示意图 表面活性剂的重要作用 纳米颗粒 * 表面活性剂从结构上看均为两亲分子，即同时具有亲水的极性基团和憎水的非极性基团。 纳米颗粒是连接宏观材料与原子或分子结构的有效桥梁,当宏观材料被制作成1 ～100 纳米数量级的微型颗粒，其外观以及特性都会发生改变。 在纳米材料研究过程中,只有实现对纳米材料微结构的有效控制,才有可能将其更有效地应用于微电子器件等高科技领域中,因此,纳米材料的形貌控制成为当前材料科学研究的前沿与热点。表面活性剂具有双亲性质,能吸附在固体表面,其长分子链的位阻效应可避免纳米粒子的团聚;其在溶液中可自组装形成胶团、反胶团、微乳液、囊泡、液晶等各种有序聚集体,这些聚集体的微环境可以作为微反应器或模板,从而实现对纳米材料形貌的调控。 所谓模板是指采用具有微孔结构的物质作为模板，使反应物或单体在这些具有纳米尺度的微孔或层隙间反应或举合形成管状、线状或层状结构材料。根据模板自身的特点和限域能力的不同可分为软模板和硬模板两种。 硬模板是指一些具有相对刚性结构的模板如 由于软模板大多是两亲分子形成的有序聚集体，它们的最大的特点是在模拟牛物矿化方面有绝对的优势。软模板的形态具有多样性．一般都很容易构筑，不需要复杂的设备。 表面活性剂溶液浓度超过临界胶束浓度(cmc)后在溶液中聚集形成胶团、反胶团、微乳液、囊泡、液晶等有序聚集体,这些有序聚集体都有纳米级的微环境。理论上可以利用这些微环境合成不同形貌和大小的纳米材料,即表面活性剂的软模板作用。 表面活性剂辅助纳米材料生长可归为2类。第1类是常温辅助合成多形态纳米材料,在一定温度下(一般不超过200℃) ,利用表面活性剂有序聚集体微环境作为模板辅助合成不同形貌的纳米材料[1～3],所得纳米材料不经高温煅烧在一定温度下干燥即可获得最终产品,该方法节省能源且操作简便,在纳米材料制备中有极好的应用前景。第2类就是高温辅助多形态纳米材料[4,5],在合成纳米材料的过程中加入表面活性剂,通过各种方法合成纳米材料的前驱体,一般为吸附或掺杂有表面活性剂的杂相颗粒,这些颗粒再经高温煅烧,结晶、生长获得不同形貌的纳米材料。在这个生长过程,可能受到表面活性剂的影响而使最终产品的形貌具有多样性。 由于纳米材料具有巨大的比表面积和较高的表面能,其发生团聚的倾向非常大。因此,要合成分散性良好、性能稳定的纳米材料就必须使新生颗粒表面迅速被介质润湿,即使其被分散的介质所隔离。表面活性剂在水溶液中有两种基本的物理化学作用：(1)吸附和降低表面张力；(2)胶团化作用。其原理 纳米材料合成过程中加入表面活性剂,不仅可在初期作为模板剂,而且能在刚形成的纳米晶种表面快速吸附,从而有效防止材料的团聚。 表面活性剂在溶液中的特点是随着浓度提高，形成胶团．过些胶团的数目、太小在一定条件下是热力学稳定的，一般情况下，胶团的尺寸为l～1000nm，随着表面恬性剂维度加大，胶团数目增多，胶团尺寸逐渐变小，达到一定浓度时，胶团粒径小于100nm，甚至更小。 在图(a)中，反应物B不断地进入腔团，在胶团内的反应物A和进入的反应物B反应，生成产物c，产物在结构上可能是晶体、无定型物等的沉淀。而反应物从性质上可能是金属氧化物、非金属氧化物、纯金属、复合物、高分子化合物等。随着反应进行，胶团尺寸并不会变大，因为胶团尺寸限定了产物颗粒的大小，因此，所合成微粒尺寸大小是可调可控的。这类反应如沉淀法、共沉淀法、界面法，相转移法等。 图(b)中，反应物A和反应物B分别处丁不同的胶团中，在A胶团和B胶用接触时，A或B溶入对方胶团中，进行反应，生成产物C，最后，形成含有c的胶团。c腔团的大小一般不会因为AB的结合增大，但是，c胶团的表面同时含有AB腔团的成分。 由于纳米材料表面效应的作用，纳米粉体表面有很多电荷或官能团，其表面能很高，这些特点决定了纳米粉体微粒表面能倾向于变小而出现团聚的特点。表面活性剂亲水基团对固体的吸附性和化学反应活性及其降低表面张力的特性可以控制纳米微粒的亲水性或亲油性、表面活性，同时对纳米微粒表面进行改性：一是降低纳米微粒表面能，使纳米搬粒处于稳定状态；二是亲水基团与表面基团结合生成新结构。赋予纳米微粒表面新的活性，三是表面活性剂的长尾端在颗粒表面形成空间位阻，防止纳米微粒的再团聚，由此改善纳米粉体在不同介质中的分散性、纳米粒子表面反应性、纳米粒子表面结构等。 以硬脂酸修饰纳米CaCO3粉末为例 CaCO3粉末表面的Ca2+与硬脂酸反应,使CaCO3粉末的表面性能由亲水变为亲油。 控制结构其实和之前的模板部分重复，但之前主要是从粒径和粒子大小的来看。 这里是从整体结构来看。 表面括性剂分子的两亲性结构特点决定表面活性剂分子在溶液表面能形成分子定向