纳米材料因其四大效应已引起了广泛的关注,纳米粉体的团聚成为其工业化生产应用的瓶颈。我们了解一下纳米粉体的团聚性质及其分散方法将对纳米粉提在工业生产应用中起到基础作用。
1、纳米粉体的团聚
纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较大的颗粒团聚的现象。
纳米粉体的团聚对其性能的影响相当严重。首先,团聚的出现不仅降低了纳米粒子的活性,还影响纳米粒子各方面的性能。其次,纳米材料的团聚给纳米材料的混合、均化及包装都带来了极大不便,在实际生产应用中变得十分困难。
通过长时间的深入研究,引起纳米粉体产生团聚的原因,可以归纳为如下4 个主要方面[ 1 ] : 1)材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了大量的正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳定,它们互相吸引,使颗粒团聚,此过程的主要作用力是静电库仑力。2)材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能,从而使新生的纳米颗粒表面具有相当高的表面能,粒子为了降低表面能,往往通过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚。3)当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短,颗粒之间的范德华力远远大于颗粒自身的重力,颗粒往往互相吸引团聚。4)由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作用,也易导致粒子之间的互相黏附聚集。
2 纳米粉体的分散
目前,纳米粉体的分散方法主要有介质分散、机械搅拌分散、超声波分散、静电分散、分散剂分散和表面处理等。
1)介质分散 根据纳米颗粒的表面性质选择适当的分散介质,可以得到颗粒分散良好的悬浮液。选择分散介质的基本原则是,非极性颗粒易于在非极性液体(介质)中分散,极性颗粒易于在极性液体中分散,如二氧化硅易于在水中分散,石墨颗粒易于在煤油中分散。当然,颗粒在介质中的分散行为还要受到颗粒表面作用力及溶液中其他物理化学因素的影响。
2)机械搅拌分散 这种分散方法几乎在所有的工业生产过程中都要用到,强烈的机械搅拌是一种碎解絮团的简单易行的方法。工业上粉体浆料的机械分散主要采用各类搅拌机、砂磨机、胶体磨等。
3)超声波分散 应用于分散纳米粉体的超声属于功率超声———声空化,即液体中空腔的形成、震荡、生长收缩以至崩溃。液体声空化的过程是集中声场的能量并迅速释放的过程,当空化气泡崩灭时,发生一个极短的强压力脉冲,在崩灭点处形成寿命极短的局部热点,极短的时间内在空化气泡周围的极小空间里产生5 000 K以上的温度和大约50MPa的高压,并伴生强烈冲击和时速达400 km的射流以及电发光的瞬间过程。这足以打开凝聚体中小微粒间的范德华力,从而使微粒均匀地分散在分散剂中。
4)静电分散 静电分散就是给颗粒加上相同极性的电荷,利用电荷粒子间的库仑斥力使颗粒分散。因此,使颗粒最大限度地荷电是静电分散的关键。任俊等采用电泳荷电方式对纳米级超细碳酸钙进行静电抗团聚分散,它对超细颗粒具有显著的抗团聚分散作用。
5)分散剂分散 分散剂分散是纳米颗粒常用的分散方法之一。何晓固等采用超分散剂对纳米TiO2粉体进行表面改性,可将超分散剂分子成功地包覆于TiO2表面,对TiO2表面进行非极性修饰,使其表面由极性亲水性变为非极性亲油性。
6)表面处理 适当的表面处理除了可以改善纳米颗粒在干态、极性及非极性溶液以及高聚物基料或无机复合粉体中的分散性,还可以改善纳米粉体的其他性能或功能。梁少俊用钛酸酯偶联剂对纳米碳酸钙进行表面改性。经过钛酸酯偶联剂处理后,碳酸钙表面覆盖了一层分子膜,使碳酸钙表面性质发生了根本的改变。郑永军等研究发现,铝酸酯偶联剂的表面处理机理和钛酸酯偶联剂基本类似,其改性效果优于钛酸酯偶联剂。
