如何看待纳米颗粒团聚现象-瑞芯超灵敏粒度测量
来源:https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=2e0bbd7ea22264fe7443f15e661582f0&site=xueshu_se | 作者:瑞芯智造 | 发布时间: 2021-09-06 | 59 次浏览 | 分享到:

如何看待纳米颗粒团聚现象

纳米科技作为21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“纳米复合材料”指分散相尺度至少有一维小于100nm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。

1.纳米颗粒的团聚原理

1.1纳米颗粒的表面效应: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,当纳米颗粒的粒径在10nm以下时,表面原子的比例迅速增加,当粒径降至1nm时,表面原子比例高达90%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。常见的纳米颗粒如SiO2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,形状很不规则,且纳米SiO2分子表面有很多的-OH,水分子很容易和表面的-OH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。为了达到胶体化学意义上的稳定状态有两种途径:(1)使颗粒带上相同符号的电荷,彼此互相排斥。(2)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。

2.2化学分散方法

化学分散方法是选择一种或多种适宜的分散剂提高悬浮体的分散性而在悬浮体中加入分散剂,使其在颗粒表面吸附,可以改变颗粒表面的性质,从而改变颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用,使颗粒间有较强的排斥力。常用的分散剂主要有以下几类:

2.2.1表面活性剂  表面活性剂是由亲油基和亲水基两部分组成,是双亲分子,包括长链脂肪酸、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等,该类分散剂的作用主要是空间位阻效应,亲水基吸附在粉体表面,疏水链伸向溶剂中。

2.2.2小分子无机电解质或无机聚合物  如硅酸钠、铝酸钠、柠檬酸铵等,这类分散剂可以发生离解而带电,吸附到粉体表面可以提高颗粒表面电势,使静电斥力增大。

2.2.3聚合物类  这类分散剂具有较大的分子量,吸附在固体颗粒表面,其高分子长链在介质中充分伸展,形成几纳米到几十纳米的吸附层,产生的空间位阻效应能有效阻止颗粒间相互聚集。

3.纳米颗粒的表面修饰

“纳米颗粒的表面修饰”就是用物理、化学方法改变纳米颗粒表面的结构和状态,从而赋予颗粒新的机能并使其物性得到改善,实现人们对纳米颗粒表面的控制。许多学者在这一领域进行了研究、探索,提出了多种表面修饰方法,按其原理可以分为表面物理修饰和表面化学修饰两大类;按其工艺可分为7类:表面覆盖修饰、局部化学修饰、机械化学修饰、外膜修饰、高能量表面修饰、沉淀反应修饰。

3.1表面物理修饰

表面物理修饰主要包括溶液或熔体中聚合物沉积、吸附改性、单体包敷聚合改性、表面活性剂覆盖改性、外层膜改性及高能量改性等。近年来报道较多的是表面活性剂的应用。通过添加高分子表面活性剂让其吸附在溶胶颗粒周围使粒子间存在空间位阻力势能,从而使颗粒间势垒变大,达到防止团聚体的目的。

3.2表面化学修饰

表面化学修饰总的来说就是通过纳米颗粒表面与改性剂之间进行化学反应,改变纳米颗粒的表面结构和状态,以达到表面改性的目的,是一种比较可靠但较复杂的方法,它通过化学键共价固定,主要包括酯化反应法表面修饰、偶联剂表面覆盖修饰和表面接枝聚合物修饰。

3.2.1酯化反应  利用酯化反应对纳米颗粒表面修饰改性最主要的是使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面。

3.2.2偶联剂表面覆盖法  一般无机纳米颗粒表面经过偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。有效的偶联剂分子结构应是一端能与无机物表面进行化学反应,另一端能与有机物或高聚合物起反应或有相容性的双功能基团化合物。

3.2.3表面接枝法  是通过化学反应将高分子链接到无机纳米颗粒表面上的方法,可分为偶联接枝法、颗粒表面聚合生长接枝法、聚合与表面接枝同步进行法。偶联接枝法是通过纳米颗粒表面的高能团与高分子的直接反应实现接枝,颗粒表面聚合生长接枝法是的安提在引发剂作用下直接从无机颗粒表面开始聚合,诱发生长,完成颗粒表面高分子包敷。聚合与表面接枝同步进行法则要求无机纳米颗粒表面具有较强的自由基捕捉能力,单体在引发剂作用下完成聚合的同时,立即呗无机纳米颗粒便面强自由基捕获,使高分子链与无机纳米克克里表面化学链接。

4.结语

综合上述,纳米颗粒的团聚问题是纳米复合材料合成过程中最关键的技术问题。而今,随着科技高速发展,许多科研工作者的顽强拼搏中,在医学领域中已经把纳米复合材料广泛的应用于临床。医学中可作为药物纳米载体,更多于航空航天、国防、交通、体育等领域,纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分,世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。

参考文献:

[1]朱燕萍综述.徐连来.李长福审校.纳米颗粒团聚问题的研究进展(M)天津:天津医科大学口腔医院.2005.338-340