纳米颗粒团聚的原因及解决措施

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纳米颗粒团聚问题的研究进展 关键词纳米颗粒；表面修饰；复合材料；超声分散；偶联剂 .21 纳米科技作为世纪影响人类发展方向的高新技术具有奇妙而光明的应用情景，而其中纳 米复合材料由于其优良的综合性能已经成为纳米材料工程的重要组成部分。所谓 “”100nm 纳米复合材料指分散相尺度至少有一维小于的复合材料即把纳米颗粒分散 到常规的三维固体中。用这种方法获得的纳米复合材料尤其是有机无机分子存在相互作用的 复合材料由于其优越性能和广泛的应用前景已成为当今纳米材料学研究的热点之一，但是纳 - 米颗粒本身极易团聚，因而获得理想的有机无机纳米复合材料的首要问题是如何将纳米颗 粒分散到有机聚合物中。研究表明采用适当的物理、化学方法对纳米颗粒进行有效分散和表 面修饰可以解决这个问题，笔者综合了近年来国内外的文献报道，对纳米颗粒的团聚问题作 一综述。 1 纳米颗粒的团聚原理 1.1“” 纳米颗粒的表面效应所谓纳米颗粒是指物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著 变化或两者都显著变化的颗粒，纳米颗粒的表面效应是指纳米颗粒的表面原子数与总原子数 之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米颗粒具有很高的表面积，当纳米颗 10nm1nm 粒的粒径在以下时，表面原子的比例迅速增加，当粒径降至时，表面原子比例 90% 高达以上，原子几乎全部集中到颗粒的表面，处于高度活化状态，导致表面原子配位 数不足和高表面能，从而使这些原子极易与其他原子相结合而稳定下来，可见，纳米颗粒具 有很高的化学活性，表现出强烈的表面效应。 1.2 布朗运动 颗粒与溶剂的碰撞使得颗粒具有与周围颗粒相同的动能，因此小颗粒运动得快，纳米小颗粒 在做布朗运动时彼此会经常碰撞到，由于吸引作用，它们会连接在一起，形成二次颗粒。二 次颗粒较单一颗粒运动的速度慢，但仍有机会与其他颗粒发生碰撞，进而形成更大的团聚体， 直到大到无法运动而沉降下来。 1.3 范德华力和氢键的影响悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德华力的作用，很容易发生团聚。 范德华力与颗粒直径成反比，纳米颗粒由于尺寸小，因而具有较强的范德华力作用。常见的 SiO2 纳米颗粒如颗粒是由刚性、实心、极细的球状颗粒组成，生成时众多颗粒熔结在一起， SiO2-OH-OH 形状很不规则，且纳米分子表面有很多的，水分子很容易和表面的生成氢键， 具有亲水的强极性表面，它们之间由于氢键和范德华力的吸引而容易生成集结群，受力后易 分开，但很容易再集结。 2 分散方法 纳米颗粒在溶剂中的分散属于溶胶，如果经过较长时间胶体颗粒仍能保持分散状态，这个体 系就是稳定的，我们所研究的纳米颗粒的分散属于疏水体系，始终具有热力学不稳定性，需 要外力（如超声、搅拌等）的参与使其保持一定的（动力学）稳定性。为了达到胶体化学意 12 义上的稳定状态有两种途径：（）使颗粒带上相同符号的电荷，彼此互相排斥。（）通过 “ 在颗粒表面吸附某种物质如高分子，阻止颗粒的相互接近，这两种机制结合起来被称为静 ” 电空间位阻稳定作用。目前常采用的分散方法有物理的和化学的方法。 2.1 物理分散方法物理分散方法常用的有机械分散法和超声分散法。机械法主要是利用机械 应力作用有目的地对粒子表面进行激活以改变其表面晶体结构和物理化学性质，而超声分散 法是近年来研究的热点领域。利用超声波可以有效地将纳米颗粒的软团聚打开，粉体由于强 烈的冲击、剪切、研磨后以更为均匀的小的团聚体分散在介质中。超声时间对颗粒的分散性 0.5s1s 影响较大，他们把超声时间从增加到，颗粒在介质中的分散性明显改善，团聚体体 积变小且分布更趋均匀，但超声时间过长时，纳米颗粒的团聚现象反而加剧，这主要由于超