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納米粉體顆粒懸浮液分散問題

制備出單相納米粉料后，具體應(yīng)用時還要考慮納米顆粒的分散。例如：在制備納米顆粒復(fù)合材料過程中為了得到成分均勻的混合粉料，首先要制備良好分散的納米粉體懸浮液，同時注意不同懸浮液混合時分散條件的相互影響。由于納米顆粒的尺寸很小，顆粒間普遍存在著較強的范德華力和庫侖力，使顆粒極易團(tuán)聚，而且顆粒粒徑愈小，團(tuán)聚的傾向就愈嚴(yán)重。這兩種作用力導(dǎo)致的團(tuán)聚為軟團(tuán)聚，可以通過一些化學(xué)的作用或機(jī)械振動的方式來消除。下面我們來分析一下納米顆粒懸浮液分散的具體機(jī)理、過程和方法。

一、液體介質(zhì)中納米陶瓷顆粒間的作用力（團(tuán)聚產(chǎn)生的根源）

顆粒在液體介質(zhì)中的相互作用力非常復(fù)雜，除了范德華力和庫侖力之外，還有溶劑化力、毛細(xì)管力、憎水力、水動力等，它們與液體介質(zhì)直接有關(guān)。顆粒在液體介質(zhì)中的狀態(tài)還必須考慮顆粒表面的帶電情況。所有的顆粒表面在液體介質(zhì)中都是帶有電荷的。其帶電原因有：離子濃度差、顆粒表面基團(tuán)的直接電離、溶液中同類離子間的替換、顆粒表面吸附特殊的離子以及顆粒晶體的各向異性等等。而顆粒在液體介質(zhì)中的表面帶電情況，將直接影響顆粒在液體介質(zhì)中的分散行為。

二、納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散過程

粉體團(tuán)聚體在液體介質(zhì)中的分散一般分為三個過程：潤濕過程、顆粒群的解集過程、穩(wěn)定的分散過程。

1、潤濕過程

如果粉末是憎液性的就不易分散，而親液者就容易分散。對憎液性的粉末需使用分散劑以潤濕顆粒的表面使它成為親液者。陶瓷粉料多為瘠性料，需用一定的表面活性劑潤濕其顆粒的表面，以便易于分散。對于不同的固體顆粒，選用合適的液體介質(zhì)使固液親和性越大越好。陶瓷粉料是極性的所以容易分散在介電常數(shù)較大的液體中。而由于水的介電常數(shù)比較大，因此陶瓷粉料通常用水作為介質(zhì)。對給定的粉末和已選用的液體介質(zhì)，表面活性劑加入到液體中會借固液界面的吸附而改變。加入的表面活性劑的濃度有一最佳值。當(dāng)超過了這一濃度時，會出現(xiàn)過飽和吸附固體表面的親水性反而降低，不利于潤濕和分散。顯然當(dāng)表面活性劑濃度不足時也不能良好的潤濕顆粒表面，不利于分散。在實際的顆粒分散中，選擇表面活性劑幾乎是隨意的，但不能采用能產(chǎn)生泡沫的分散劑，因為泡沫能將細(xì)顆粒從系統(tǒng)中分離出來。

2、顆粒群的解集過程

團(tuán)聚體中的眾多顆粒，其表面一經(jīng)液體的潤濕往往會自行分離。當(dāng)然，實際操作中常常需要超聲波的幫助。不同超聲功率和超聲時間對顆粒的分散效果影響較為顯著，尤其對超細(xì)粉料而言影響更大。

3、穩(wěn)定的分散過程

即使液體介質(zhì)對固體良好的潤濕，并輔以機(jī)械力或超聲處理制成了分散顆粒的懸浮液，但是這種兩相分散體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，顆粒相遇時又可能產(chǎn)生團(tuán)聚。因此，在體系中往往需要存在或添加能降低彼此不穩(wěn)定的物質(zhì)即分散劑，為顆粒在動力學(xué)上提供位壘，從而抵抗顆粒的聚集，使分散狀態(tài)保持相對穩(wěn)定。選擇表面活性劑時，除了考慮其顆粒的潤濕特性外，還需考慮顆粒表面的帶電情況和表面活性劑的類型。按照是否電離可分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑和非離子型表面活性劑。

三、懸浮液的分散穩(wěn)定機(jī)制

根據(jù)懸浮液中粒子間排斥力產(chǎn)生的機(jī)理，可將懸浮液的分散穩(wěn)定機(jī)制分為以下三種：靜電穩(wěn)定機(jī)制、空間位阻穩(wěn)定機(jī)制和聯(lián)合穩(wěn)定機(jī)制，即電空間穩(wěn)定機(jī)制。

1、靜電穩(wěn)定機(jī)制

由膠體化學(xué)中雙電層穩(wěn)定理論DLVO 理論可知，對球形顆粒而言，兩個顆粒間的位能曲線上有一個位壘、兩個位谷：第一極小點和第二極小點。若一對顆粒因布朗運動或不等速沉降而接近時的相對動能大于位壘，則這兩個顆粒接近到第一極小點，從而顆粒聚沉這個過程是不可逆的。相反，這兩個顆粒不能接近到位壘所對應(yīng)的最近距離反而被位壘彈開，在第二極小點形成的絮凝是不穩(wěn)定的可逆的。表面電勢越大雙電層厚度就越大，這將使位壘越高分散體系的穩(wěn)定性就越大。雙電層的厚度或顆粒表面的Zeta電位與液體介質(zhì)的價數(shù)和濃度有密切關(guān)系。

2、空間位阻穩(wěn)定作用

高分子化合物加入到溶液中除了可以降低顆粒在液體介質(zhì)中的σsl和Hamaker常數(shù)使懸浮液分散穩(wěn)定之外,還可以使其高分子長鏈的一端緊密的吸附于顆粒的表面,另一端盡可能地伸向溶液中,形成空間位阻穩(wěn)定作用。

3、聯(lián)合穩(wěn)定機(jī)制

聯(lián)合穩(wěn)定也叫電空間穩(wěn)定，其靜電部分來源于粒子表面的靜電荷或和與定位聚合物聯(lián)系的電荷，所用高聚物叫聚電解質(zhì)。因為既有雙電層穩(wěn)定機(jī)制又有空間位阻穩(wěn)定機(jī)制此種穩(wěn)定效果會更好。這種聯(lián)合機(jī)制的勢能曲線沒有第一極小值，雙電層在較長距離上提供一較高的位壘，從而在小范圍內(nèi)位阻穩(wěn)定阻止粒子相互接觸。常用的聚電解質(zhì)有有機(jī)單寧酸鹽和聚碳酸、腐植酸，還有它們的一些銨鹽如聚丙烯酸和聚丙烯酸銨。