8.纳米粉体的团聚与分散.ppt

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： 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。 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。 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,改变了表面结构和相互作用性质,在粉体表面生成羟基等新结构,使粉体间相互吸引(如氢键间的作用力)与化学反应(如—OH 基间聚合反应) ,这是导致大多数纳米粉体严重团聚的根本原因。 纳米科学虽发展时间仅20多年，但纳米材料表现出来的各方面的特异性质，受到人们极大关注 但纳米粒子粒径小，表面能高，具有自发团聚的趋势。而团聚会大大影响纳米粉体优势的发挥 因此如何改善纳米粉体在液相介质中的分散和稳定性是非常重要的课题。 颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘科学 颗粒分散是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程 包括润湿、解团聚和分散颗粒的稳定化3个阶段 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。 解团聚 是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。 稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散。 根据分散介质 分散体系区分为水性体系