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无机纳米材料表面改性的研究进展

无机纳米材料表面改性的研究进展

无机纳米材料表面改性的研究进展

姓名:孙震

学号:9901090094

班级:粉冶工程试验班0901

无机纳米材料表面改性的研究进展

摘要:团聚是纳米粉体材料中首先要解决的问题,而表面改性是有效解决此问题的一种方法。本文介绍了纳米表面改性材料的一些基本方法,并介绍了国内外改性材料的一些实例,并对表面改性的前景作出了展望。

纳米粉体是指线度处于1~100nm之间的粒子聚合体, 包括金属、金属氧化物、非金属氧化物和其他各种各类的化合物。与普通纳米粉体相比, 纳米粉体的特异结构使其具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应, 因而在催化、磁性材料、医学、生物工程、精细陶瓷、化妆品等众多领域显示出广泛的应用前景, 被誉为面向21世纪的高功能材料, 成为各国竞相开发的热点。近年来随着粉体制备技术的发展, 人们已经成功制备出各种纳米粉体, 制备方法多种多样, 如化学气相沉积法、等离子体法、物理气相沉积法、沉淀法、微乳液法、溶胶一凝胶法、高能球磨法等, 并且许多己经实现了工业化。我国现在已能生产铁、钻、镍、镁、银、铜、铝等金属纳米粉, 二氧化硅、二氧化铁、二氧化错、三氧化二铝、氧化钙、氧化锌等氧化物粉末, 以及碳化硅、氮化硅等陶瓷粉末川。但制备出纳米粉体还只是第一步, 最艰巨的一步是针对不同使用介质、不同使用场合的表面改性和处理。因为纳米粉体粒径小、比表面积和表面能极大极易团聚而不能发挥纳米粉体的优异特性, 纳米粉体团聚已经给粉体技术及相关工业领

域带来了很大的麻烦, 是其应用中首要解决的问题川。另

外, 纳米粉体与介质的不相容性导致界面出现空隙, 存在相分离现象, 所以必须对纳米粉体进行表面处理。

1纳米粉体团聚的原因

由于纳米粒子所具有的特殊的表面结构, 所以在粒子间存在着有别于常规粒子(颗粒)间的作用能,即纳米作用能(F n )。定性地讲, 这种纳米作用能就是纳米粒子的表面因缺少邻近配位的原子, 具有很高的活性, 而使纳米粒子彼此团聚的内在属性, 其物理意义应是单位比表面积纳米粒子具有的吸附力。它是纳米粒子几个方面吸附的总和: 纳米粒子间氢键、静电作用产生的吸附; 纳米粒子间

的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的局部产生的吸附; 纳米粒子巨大的比表面产生的吸附。纳米作用能是纳米粒子易团聚的内在因素。要得到分散性好、粒径小、粒径分布窄的纳米粒子, 必须削弱或减小纳米作用能。当采取适当方法对纳米粒子进行分散处理时, 纳米粒子表面产生溶剂化膜作用能(F s )、双电层静电作用能(F r )、聚合物吸附层的空间保护作用能(F p )等。在一定体系里, 纳米粒子应是处于这几种作用能(力)的平衡状态: 当Fn > F s + F r+ F p 时, 纳米粒子易团聚; 当F n < Fs + F r + F p时, 纳米粒子易分散。要使纳米粒子分散, 就必须增强纳米粒子间的排斥作用能: ( 1)强化纳米粒子表面对分散介质的润湿性, 改变其界面结构, 提高溶剂化膜的强度和厚度, 增强溶剂化排斥作用; ( 2)增大纳米粒子表面双电层的电位绝对值, 增强纳米粒子间的静电排斥作用; ( 3)通过高分子分散剂在纳米粒子表面的吸附, 产生并强化立体保护作用。

2纳米粉体的表面改性

表面改性是根据需要对粉体的表面特性进行物理、化学、机械等深加工处理, 控制其内应力, 增加粉体颗粒间的斥力, 降低粉体颗粒间的引力, , 使粉体的表

面物理、化学性质, 诸如晶体结构、官能团表面能、表面润湿性、电性、表面吸附和反应特性等发生变化, 从而赋予纳米粉体新的功能, 并使物性得到改善。表面改性的目的包括阁改善或改变粉体粒子的分散性。提高粉体粒子的表面活性。使粉体表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能。改善粒子与其他物质之间的相容性。改善纳米粉体的耐久性, 如耐药、耐光、耐热、耐候性等。

纳米粉体表面改性的方法很多, 分类的方法也很多, 其方法主要有:包覆改性法、表面化学改性法、机械化学改性法、沉积化学改性法以及新发展的微胶囊改性法等。

2.1 包覆法

包覆改性是一种较早使用的传统改性方法,是用无机化合物或有机化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对纳米粉体表面进行包覆,对纳米粒子的团聚起到减弱或屏蔽作用,而且由于包覆物产生了空间位阻斥力,使粒子再团聚十分困难,从而达到表面改性的目的。根据包覆方式的不同可分为表面活性剂法和无机包覆等

1)表面活性剂法

根据纳米粒子表面电荷的性质,可采用加入阳离子或阴离子表面活性剂,在其表面形成碳氧链向外伸展的包覆层。表面活性剂是一种具有亲水亲油结构,可降低表面张力、减小表面能,并能对溶液进行乳化、润湿、成膜等功能的有机化合物。表面活性剂亲水基团对固体的吸附性、化学反应活性及其降低表面张力的特性可以控制纳米粉体的亲水性、亲油性、表面活性,同时对纳米粉体的表面进行改性:①亲水基团与表面基团结合生成新结构,赋予纳米粉体表面新的活性;

②降低纳米粒子的表面能使纳米粒子处于稳定状态;③表面活性剂的亲油基团在粒子表面形成空间位阻,防止纳米粒子的再团聚,由此改善纳米粉体在不同介质中的分散性、纳米粒子的表面反应活性、纳米粒子的表面结构等[11-12]。陈东丹等[13]用三乙醇胺、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇等四种表面活性剂对纳米TiO 2 进行表面改性,改善了纳米TiO 2 的分散状态,并有效的阻止了其团聚。马运柱[14]等用N ,N —二甲基甲酰胺、十六烷基三甲基溴化铵对( W 、N i、Fe)复合氧化物进行有机包覆,大大降低了在干燥过程中的毛细管作用,减少了颗粒间团聚的机会,阻碍了颗粒向硬团聚转化。

2)无机包覆改性

用无机物作改性剂,无机物与纳米粒子表面不发生化学反应,改性剂与纳米粒子间依靠物理方法或范德华力结合。一般利用无机化合物在纳米粒子表面进行沉淀反应,形成表面包覆,再经过一系列处理,使包覆物固定在颗粒表面,可以改变粉体在不同介质中的分散性和稳定性,提高其耐候性,降低了纳米粒子的活性并阻止其团聚。通常用SiO 2、A l2O 3 等金属氧化物对无机纳米粉体进行表面改性。O hm ori等[15]用正硅酸乙酯为原料,通过优化水解条件可以在Fe2O 3 表面均匀包覆一层SiO 2,使其易于分散在非水介质中。利用同样的方法,G iesche 等在碱性碳酸钇的表面包覆了SiO 2 层,有效的阻止了颗粒的团聚并防止其水解。

2.2 表面化学改性

表面化学改性法是利用有机物分子中的官能团在无机纳米颗粒表面的吸附或化学反应对颗粒表面进行局部包覆,使颗粒表面有机化而达到表面改性的方法。表面改性剂的选用原则是必须能降低粒子的表面能、消除粒子的表面电荷及表面引力。常用的有偶联剂、高级脂肪酸及其盐、不饱和有机酸和有机硅等。

1)偶联剂改性

纳米粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。偶联剂分子必须具备两种基团,一种与无机物表面能进行化学反应,另一种(有机官能团)与有机物具有反应性或相容性。常见的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酯酸偶联剂等。偶联剂都可用一个通式来表示:

R —A —X .A 通常是硅原子、钛原子或铝原子等;X 是某些易水解的基团,比如卤素、烷氧基、丙烯酞基等,这些基团与粒子表面的某些基团发生作用,在粒子表面化学成键;X 为有机基团,可以是甲基、乙烯基等,与聚合物分子有很强的亲和力和反应能力。蒋红梅等[17]用钛酯酸偶联剂对纳米M gO 进行表面改性,表面改性后的纳米氧化镁粒子表面呈疏水性,在有机溶剂中分散性变好,降低了其团聚程度。刘卫平等[18]用硅烷、钛酯酸偶联剂对氧化锌晶须( ZnO w)进行表面改性,取得了良好的效果。

2)疏水化处理

疏水化处理是选择有疏水化基团(如长链烷基、链烃基和环烷基等) 的有机物取代粉体表面羟基,使烷基等牢固地结合在粉体的表面,呈现出较强的疏水性。该方法适用于表面有羟基的粉体,处理后粉体的分散性好,不易团聚,同时减水效果好。在制备纳米金属氧化物时,加入PV A (聚乙烯醇),PV A 包含大量自由的强极性羟基基团,在水溶液中这些基团与金属离子之间形成螯合键,紧密包覆在金属离子周围,形成一个有PV A 链限制形状的有限结构,使合成的纳米粒子的大小被限制,达到表面改性的目的。

3)聚合物表面接枝

聚合物表面接枝也是常用的表面改性方法。有些无机粉体粒子表面具有可以发生自由基反应的活性点,在适当条件下,高分子聚合物活性单体可在这些活性点上反应接枝于粒子表面上,再引发聚合反应。将聚合物长链接枝在粉体表面,聚合物中含亲水基团的长链通过水化伸展在水介质中起立体屏蔽作用,这样粉体在介质中的分散稳定除了依靠静电斥力外又

依靠空间位阻,效果十分明显。这种处理方法可使得接枝前团聚程度大的粉体,接枝以后团聚程度显著降低,不易再团聚,分散稳定性增加。与颗粒表面接枝的接枝反应一般有3 种:

1.颗粒表面的接枝反应。单体在引发剂作用下完成聚合的同时,被无机粒子表面强自由基捕获,使高分子的链与无机粒子表面化学连接,实现了颗粒表面的接枝。此法仅适用于具有较强的自由基捕捉能力的炭黑等,对于其它无机颗粒的接枝聚合反应不太有效。

2.由颗粒开始的接枝聚合。这种方法是单体在引发剂作用下直接从无机粒子表面开始聚合,诱发生长,完成了颗粒表面高分子包覆。

3.在一定条件下,丙烯酸单体可以直接接枝在炭黑颗粒表面,从透射电镜(TEM )观察中发现,由于接枝上去的聚丙烯长链含有亲水基团,在水介质中能较好地伸展空间位阻屏障作用,阻止了炭黑粒子的再聚集,使得炭黑粒子分散均匀,分散稳定性增加。

2.3 胶囊化改性

胶囊化改性是在颗粒表面覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面改性方法。由药品药效的缓释性需求而出现的固体药粉的胶囊化是胶囊化改性的最初发展原因。胶囊化改性工艺中一般称内藏物为芯物质或核物质,包膜物为膜物质。胶囊的作用是控制芯物质的放出条件,相间隔离,达到稳定分散的目的。采用原位(In-situ)聚合法可制成聚甲基丙烯酸甲脂包裹

的氧化钛和氧化硅颗粒,颜料的无机质壁的改性也常采用胶囊化方法。

3展望

由于纳米粒子的团聚, 纳米粒子的表面改性直接关系到纳米粒子的应用。目前, 表面改性的方法比较多, 但能从根本上解决问题的方法还较少, 须进一步

研究探讨。另外, 在对纳米粒子进行表面改性时, 还应考虑改性剂的复合使用, 以期达到更好的改性效果。纳米粒子复合材料的制备是纳米粒子应用的主要领域, 目前不同的表面改性方法只是集中于处理方法的本身, 忽略了处理方法与已处

理的纳米粒子之间的关系, 对它们在制备纳米粒子填充聚合物复合材料中的应

用尚未深入研究。在以后的研究工作中, 有必要探讨经处理的纳米粒子的微观结构对纳米复合材料的影响, 使纳米粒子的特殊效应在复合材料中得到很好的体现, 最终使材料的力学、光学、热学等方面的性能都有较大的提高。

参考文献

万冰华费敬银高文娟 .纳米粒子表面改性研究 2010.8

汤国虎叶巧明连红芳. 无机纳米粉体表面改性研究现状 2003.9

王宝利朱振峰. 无机纳米粉体的团聚与表面改性 2006.5