纳米粉体的团聚.PDF

3.3 纳米粉体的团聚 一、引言 • 纳米粉体具有的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电 限域效应等各种效应，使得它表现出强吸光能力、高活性、 高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等特殊 理化性能，使纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和 极大的潜在应用价值。 • 但是，在制备纳米粉体过程中，存在的最大问题就是纳米颗 粒的团聚。 -2- 二、纳米颗粒团聚的原因 1。颗粒细化到纳米级以后,其表面积累了大量的正、负电荷,纳米颗粒的形状极不规则, 这样就造成表面电荷的聚集,使纳米粒子极不稳定,因而易发生团聚。 2 。纳米颗粒的表面积大,表面能高,处于能量不稳定状态,很容易发生聚集而达到稳 定状态,因而发生团聚。 3。纳米颗粒之间的距离极短,相互间的范德华引力远大于自身的重力,因此往往相互吸 引而发生团聚。 4 。纳米颗粒之间表面氢键、化学键的作用导致纳米粒子之间的相互吸引而发生团聚, 颗粒越细团聚就越强烈。 根据粒子彼此间相互吸附力的大小 由范德华力和库仑力所引起的,可以通过一些化学作 软团聚： 用或施加机械能的方式加以消除。 除了有范德华力和库仑力的作用,还存在化学键作用力, 硬团聚： 因此硬团聚在材料加工过程中不易破坏,会导致材料 性能变差。 液相法制备流程 液相法制备 超声 洗涤 干燥 煅烧 三、团聚形成机理  纳米颗粒在液体介质中的团聚机理 a. 液体介质中团聚的主要原因是吸附和排斥共同作用的结果。 如果吸附作用大于排斥作用，颗粒团聚；反之，颗粒则 分散。 a. 目前较成熟的理论是颜恒维等人对DLVO理论的改进。 在考虑到范德华能和双电层作用能的同时，也把颗粒间作用与环境介质性质、 颗粒表面性质以及颗粒表面吸附层的成分、覆盖率、吸附强度等因素一并考虑 在内，其总势能可以用下式表示： V V V V V 式中：总作用能； T A R S ST 范德华作用能； 双电层作用能； 溶剂化膜作用能； 空间排斥作用能。 -5- 三、团聚形成机理  干燥过程中团聚颗粒团聚的机理 此可看作固液分离过程，目前有代表性的理论有： 1）晶桥理论认为,湿凝胶在干燥过程中,毛细管吸附力使颗粒相互靠近, 颗粒之间由于表面羟基和溶解—沉淀形成的晶桥而变得更加紧密,随着时 间的推移,这些晶桥相互结合从而形成较大的块状团聚体。 2）毛细管吸附理论认为,在凝胶受热吸附水开始蒸发时,颗粒的表面部分裸 露出来,而水蒸气空隙的两端出去,由于毛细管力的存在,在水中形成静拉伸 压强,毛细管孔壁收缩,从而导致硬团聚体的形成。 3）氢键作用理论认为,粉末颗粒仅靠氢键作用相互聚集,形成硬团聚体。 4）化学键作用理论认为,凝胶表面存在的非架桥羟基是产生硬团聚的根源, 当胶粒相互靠近时,其表面的非架桥羟基发生如下反应形成硬团聚:Me- OH+HO-Me Me-O-Me + H O 2 -6-