納米材料因其四大效應(yīng)已引起了廣泛的關(guān)注,納米粉體的團(tuán)聚成為其工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的瓶頸。我們了解一下納米粉體的團(tuán)聚性質(zhì)及其分散方法將對(duì)納米粉提在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中起到基礎(chǔ)作用。


   1、納米粉體的團(tuán)聚

    納米粉體的團(tuán)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(tuán)聚的現(xiàn)象。

    納米粉體的團(tuán)聚對(duì)其性能的影響相當(dāng)嚴(yán)重。首先,團(tuán)聚的出現(xiàn)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(tuán)聚給納米材料的混合、均化及包裝都帶來了極大不便,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中變得十分困難。

    通過長時(shí)間的深入研究,引起納米粉體產(chǎn)生團(tuán)聚的原因,可以歸納為如下4 個(gè)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(fù)電荷,這些帶電粒子極不穩(wěn)定,為了趨向穩(wěn)定,它們互相吸引,使顆粒團(tuán)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(jī)械能或熱能,從而使新生的納米顆粒表面具有相當(dāng)高的表面能,粒子為了降低表面能,往往通過相互聚集而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因而引起粒子團(tuán)聚。3)當(dāng)材料納米化至一定粒徑以下時(shí),顆粒之間的距離極短,顆粒之間的范德華力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒自身的重力,顆粒往往互相吸引團(tuán)聚。4)由于納米粒子表面的氫鍵,吸附濕橋及其他的化學(xué)鍵作用,也易導(dǎo)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(zhì)分散、機(jī)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(zhì)分散　根據(jù)納米顆粒的表面性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)姆稚⒔橘|(zhì),可以得到顆粒分散良好的懸浮液。選擇分散介質(zhì)的基本原則是,非極性顆粒易于在非極性液體(介質(zhì))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(dāng)然,顆粒在介質(zhì)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(xué)因素的影響。

    2)機(jī)械攪拌分散　這種分散方法幾乎在所有的工業(yè)生產(chǎn)過程中都要用到,強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌是一種碎解絮團(tuán)的簡單易行的方法。工業(yè)上粉體漿料的機(jī)械分散主要采用各類攪拌機(jī)、砂磨機(jī)、膠體磨等。

    3)超聲波分散　應(yīng)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(dāng)空化氣泡崩滅時(shí),發(fā)生一個(gè)極短的強(qiáng)壓力脈沖,在崩滅點(diǎn)處形成壽命極短的局部熱點(diǎn),極短的時(shí)間內(nèi)在空化氣泡周圍的極小空間里產(chǎn)生5 000 K以上的溫度和大約50MPa的高壓,并伴生強(qiáng)烈沖擊和時(shí)速達(dá)400 km的射流以及電發(fā)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(guān)鍵。任俊等采用電泳荷電方式對(duì)納米級(jí)超細(xì)碳酸鈣進(jìn)行靜電抗團(tuán)聚分散,它對(duì)超細(xì)顆粒具有顯著的抗團(tuán)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(duì)納米TiO2粉體進(jìn)行表面改性,可將超分散劑分子成功地包覆于TiO2表面,對(duì)TiO2表面進(jìn)行非極性修飾,使其表面由極性親水性變?yōu)榉菢O性親油性。

    6)表面處理　適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚沓�了可以改善納米顆粒在干態(tài)、極性及非極性溶液以及高聚物基料或無機(jī)復(fù)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(lián)劑對(duì)納米碳酸鈣進(jìn)行表面改性。經(jīng)過鈦酸酯偶聯(lián)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(zhì)發(fā)生了根本的改變。鄭永軍等研究發(fā)現(xiàn),鋁酸酯偶聯(lián)劑的表面處理機(jī)理和鈦酸酯偶聯(lián)劑基本類似,其改性效果優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑。