納米材料因其四大效應已引起了廣泛的關注,納米粉體的團聚成為其工業化生產應用的瓶頸。我們了解一下納米粉體的團聚性質及其分散方法將對納米粉提在工業生產應用中起到基礎作用。
1、納米粉體的團聚
納米粉體的團聚是指原生的納米粉體顆粒在制備、分離、處理及存放過程中相互連接形成較大的顆粒團聚的現象。
納米粉體的團聚對其性能的影響相當嚴重。首先,團聚的出現不僅降低了納米粒子的活性,還影響納米粒子各方面的性能。其次,納米材料的團聚給納米材料的混合、均化及包裝都帶來了極大不便,在實際生產應用中變得十分困難。
通過長時間的深入研究,引起納米粉體產生團聚的原因,可以歸納為如下4 個主要方面[ 1 ] : 1)材料在納米化過程中,在新生的納米粒子的表面積累了大量的正電荷或負電荷,這些帶電粒子極不穩定,為了趨向穩定,它們互相吸引,使顆粒團聚,此過程的主要作用力是靜電庫侖力。2)材料在納米化過程中,吸收了大量機械能或熱能,從而使新生的納米顆粒表面具有相當高的表面能,粒子為了降低表面能,往往通過相互聚集而達到穩定狀態,因而引起粒子團聚。3)當材料納米化至一定粒徑以下時,顆粒之間的距離極短,顆粒之間的范德華力遠遠大于顆粒自身的重力,顆粒往往互相吸引團聚。4)由于納米粒子表面的氫鍵,吸附濕橋及其他的化學鍵作用,也易導致粒子之間的互相黏附聚集。
2 納米粉體的分散
目前,納米粉體的分散方法主要有介質分散、機械攪拌分散、超聲波分散、靜電分散、分散劑分散和表面處理等。
1)介質分散 根據納米顆粒的表面性質選擇適當的分散介質,可以得到顆粒分散良好的懸浮液。選擇分散介質的基本原則是,非極性顆粒易于在非極性液體(介質)中分散,極性顆粒易于在極性液體中分散,如二氧化硅易于在水中分散,石墨顆粒易于在煤油中分散。當然,顆粒在介質中的分散行為還要受到顆粒表面作用力及溶液中其他物理化學因素的影響。
2)機械攪拌分散 這種分散方法幾乎在所有的工業生產過程中都要用到,強烈的機械攪拌是一種碎解絮團的簡單易行的方法。工業上粉體漿料的機械分散主要采用各類攪拌機、砂磨機、膠體磨等。
3)超聲波分散 應用于分散納米粉體的超聲屬于功率超聲———聲空化,即液體中空腔的形成、震蕩、生長收縮以至崩潰。液體聲空化的過程是集中聲場的能量并迅速釋放的過程,當空化氣泡崩滅時,發生一個極短的強壓力脈沖,在崩滅點處形成壽命極短的局部熱點,極短的時間內在空化氣泡周圍的極小空間里產生5 000 K以上的溫度和大約50MPa的高壓,并伴生強烈沖擊和時速達400 km的射流以及電發光的瞬間過程。這足以打開凝聚體中小微粒間的范德華力,從而使微粒均勻地分散在分散劑中。
4)靜電分散 靜電分散就是給顆粒加上相同極性的電荷,利用電荷粒子間的庫侖斥力使顆粒分散。因此,使顆粒最大限度地荷電是靜電分散的關鍵。任俊等采用電泳荷電方式對納米級超細碳酸鈣進行靜電抗團聚分散,它對超細顆粒具有顯著的抗團聚分散作用。
5)分散劑分散 分散劑分散是納米顆粒常用的分散方法之一。何曉固等采用超分散劑對納米TiO2粉體進行表面改性,可將超分散劑分子成功地包覆于TiO2表面,對TiO2表面進行非極性修飾,使其表面由極性親水性變為非極性親油性。
6)表面處理 適當的表面處理除了可以改善納米顆粒在干態、極性及非極性溶液以及高聚物基料或無機復合粉體中的分散性,還可以改善納米粉體的其他性能或功能。梁少俊用鈦酸酯偶聯劑對納米碳酸鈣進行表面改性。經過鈦酸酯偶聯劑處理后,碳酸鈣表面覆蓋了一層分子膜,使碳酸鈣表面性質發生了根本的改變。鄭永軍等研究發現,鋁酸酯偶聯劑的表面處理機理和鈦酸酯偶聯劑基本類似,其改性效果優于鈦酸酯偶聯劑。
