纳米材料由于其具有特殊的性能而被广泛应用，但纳米粒子的团聚一直是困扰纳米材料制备和应用的关键问题。本文介绍了纳米粒子团聚的原因，叙述了纳米粒子的分散过程，重点分析了纳米粒子的分散机理和纳米粒子的分散技术。希望能为纳米材料的大规模生产和应用提供一定的理论基础。

　　Abstract： Nano-materials are widely used due to their unique properties， but the agglomeration of nanoparticles plagued preparation and application of nano-materials， and surface modification is an effective solution to this problem. The causes of the agglomeration of nanoparticles were introduced， dispersion processes of nanoparticles were discussed， dispersion mechanism of nanoparticles and dispersion technology of nanoparticles were focused on analysis. And hope for the preparation of nano-materials mass production and application to provide certain theory basis.

　　P键词：纳米粒子；团聚；纳米材料；分散

　　Key words： nanoparticles；accumulation；nano-materials；dispersion

　　中图分类号：TQ174 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0157-02

　　0 引言

　　近年来，科学方面的一项重大发展就是纳米技术，关于纳米技术的研究多个学科都趋之若鹜。当前纳米粒子被广泛应用在民用和工业领域，这是因为利用纳米粒子能够让材料发生奇异的变化，具有材料之前本不具备的性能，其诱人特征特别表现在力学、光电、结构、催化及物理化学性质等方面。然而，纳米粒子的应用和制备过程中也面临着一个很大的问题，即纳米粒子的团聚问题，具体来说：对于纳米聚晶材料，团聚问题会导致颗粒异常长大，造成性能的劣化；对于具有自组装结构的纳米材料，团聚问题会使结构发生变化；对于各类直接利用纳米粒子的场合，团聚问题更是直接影响了材料的效率和性能[1]。由此可知，制约纳米技术不断完善和进步的关键原因就是纳米材料中纳米粒子的团聚。基于此，本文首先分析了纳米粒子团聚的原因，然后针对纳米粒子的分散过程和分散机理，探讨了纳米粒子的分散技术。

　　1 纳米粒子团聚的原因

　　所谓纳米粒子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、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。一般来说，粒子团聚包括硬团聚体和软团聚体两种形态。硬团聚的形成主要受静电力、范德华力、化学键作用以及粒子间液相桥或固相桥的强烈结合作用；软团聚主要是由粒子间的静电力和范德华力或因团聚体内液体的存在而引起的毛细管力所致。

　　2 纳米粒子的分散过程

　　近年来新兴发展了一门边缘学科，即纳米粒子分散。其是指粉体粒子在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程，和普通微米级颜、填料在涂料用树脂中分散一样。

　　2.1 润湿过程

　　润湿过程是指粒子表面吸附液相介质，粒子与粒子之间的界面被粒子与溶剂、分散剂等液相介质界面所取代的过程。可用润湿角来表示粒子在介质中润湿程度的好坏[2]。其中润湿角θ可由杨氏公式表示：

　　cosθ=（γS-γSL）/γL

　　式中，γSL表示润湿后固液界面的表面张力；γL表示液相介质表面张力；γS表示固体粒子表面张力。从润湿的角度分析，选用低界面自由能的溶剂，有利于纳米粉体的润湿。对于确定的固体粉末及液态介质而言，若γL、γS不变，通过提高γSL能够减小θ，改变固/液界面状态、添加润湿分散剂能够达到提高γSL的目的。

　　2.2 分散过程

　　纳米粒子的分散过程是指通过外加机械力（挤压、剪切等）作用，利用超声分散、高速搅拌、辊轧、平磨、砂磨、球磨等手段将纳米粒子团聚体打开，使其分散为更小的粒子的过程[3]。

　　纳米粒子团聚体全部变成原级粒子是纳米粒子分散的理想状态，但是在现实中理想状态出现的概率很小。在常规分散期间，随着纳米粉体粒径的逐渐变小，表面积会逐渐增加，那么一部分分散纳米粒子的机械能就会传递给新生表面，造成粉体表面能上升。在热力学上表面能的上升是不稳定的，且粒子有重新团聚的可能性，实现分散与团聚的动态平衡。通过将润湿分散剂引入分散体系中，能够改变该过程的平衡常数，让粒子粒径向小的趋势发展，且同时粒径分布变窄。

　　2.3 稳定化过程

　　稳定化过程是将原级粒子或较小的团聚体在静电斥力、空间位阻斥力作用下来屏蔽范德华引力，使粒子不再聚集的过程，使经机械力作用分散后的粉体，在外力撤除后仍然保持稳定悬浮状态，维持已经获得的粒径及粒径分布，分散体系无异常。

　　很多因素都会影响到分散体系稳定性，包括表面吸附层、表面电荷、布朗运动、重力（或浮力）作用、范德华吸引力、奥氏熟化作用、表面自由能等。前两者是分散体系的稳定化因素，后两者是分散体系的失稳因素。对分散体系的稳定性而言，布朗运动具有双重作用[4]：一是布朗运动会使粒子之间出现相互碰撞，客观上增加了粒子之间重新团聚的可能性；二是布朗运动会让粒子扩散，因重力（或浮力）作用产生的浓度差会因此减弱。

　　3 纳米粒子的分散机理

　　3.1 双电层静电稳定机理

　　双电层静电稳定理论，也称DLVO理论[5]。静电稳定是指粒子表面带电，在其周围会吸附一层相反的电荷，形成双电层，通过产生静电斥力实现体系的稳定。分析DLVO理论可知，两种相互作用势能存在于带电胶粒之间，即范德华吸引能VA和双电层静电排斥能VR，粒子双电层之间的相互排斥引起双电层静电排斥能。分散体系总的势能VT：

　　VT=VA+VR

　　3.2 空间位阻稳定理论

　　DLVO理论并非适用于所有的粒子分散体系，部分非水性介质中粒子的分散该理论不适用[6]。这是因为未将聚合物层的作用考虑在内，胶体吸附聚合物后产生了一种新的排斥能――空间排斥势能VSR。此时粒子之间的总势能VT：

　　VT=VA+VR+VSR

　　由上式可知，对于体系稳定性来说，空间排斥势能VSR的作用不可或缺，故称为空间位阻稳定机理。

　　3.3 空缺稳定机理

　　粒子一旦对聚合物产生负吸附，那么在粒子表面层，溶液的体相浓会高于聚合物浓度。由此在粒子表面会形成一种“空缺层”，一旦空缺层发生重叠时，斥力能或吸引能就会产生，改变物系的势能曲线。在高浓度溶液中，占优势的是斥力，使胶体稳定；在低浓度溶液中，占优势的是吸引能，胶体稳定性下降[7]。

　　4 纳米粒子的分散技术

　　纳米粒子极易产生自我聚集，表现出强烈的团聚特性，若不及时将纳米粒子分散开，不断团聚的粒子就会影响到材料的性能。因此，研究纳米粒子的分散技术至关重要，且刻不容缓。当前纳米粒子的分散方法主要有物理分散和化学分数两类。

　　4.1 物理分散

　　物理分散方法主要有高能处理法、超声波分散法和机械分散法三种，具体如下[8]：

　　①高能处理法：利用高能粒子作用，增强纳米粒子表面活性，使其与其它物质发生化学反应或附着，从而达到分散的效果。②超声波分散法：为避免或减少纳米粒子团聚，可将待处理的粒子悬浮体放置在超声场中，用科学的超声波进行必要处理。③机械分散法：其原理是借助机械能，比如外界剪切力或撞击力等，让纳米粒子在介质中充分分散，该方法操作简单。

　　4.2 化学分散

　　化学分散实质上是利用表面化学方法加入表面处理剂来实现分散的方法[9]。

　　①分散剂分散：合理选用分散剂提高悬浮体的分散性，改善其稳定性及流变性。②酯化反应：金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。用酯化反应对纳米粒子表面修饰，使其表面变成亲油疏水的表面，在实践应用中该方法的实用价值最高。③偶联剂法：偶联剂具有两性结构，其分子中的一部分基团可与粒子表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠绕。

　　5 结语

　　随着纳米科学和纳米技术广泛地应用于工业和民用领域，纳米粒子的团聚问题将会直接影响到纳米材料使用过程中的经济和社会效益。本文通过分析纳米粒子的分散过程、分散机理，提出了多种纳米粒子的分散技术，有效解决了纳米粒子的团聚问题，未来纳米粒子的应用将更加广泛。

　　参考文献：

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　　[3]王补宣，盛文彦.纳米流体导热系数的团簇宏观分析模型[J].自然科学进展，2007，17（7）：984-988.

　　[4]咸才军，李勇峰，苗海龙，关延涛.水性建筑涂料用纳米助剂的制备及其性能研究[J].中国涂料，2005（01）.

　　[5]Wei Wu，Manfred H. Wagner，Zhongde Xu. Surface treatment mechanism of nano-SiO2 and the properties of PP/nano-SiO2 composite materials[J]. Colloid and Polymer Science . 2003 （6）.

　　[6]P. Somasundaran，Tsung-Yuan Chen，D. Sarkar. A novel processing scheme for core-shell nano composites using controlled polymer adsorption[J]. Material Research Innovations . 1999 （6）.

　　[7]ZhangLidDe.At home and abroad the latest progress in the study of nano materials and nano structure [A]. Proceedings of the 4th Chinese functional materials and application of academic [C]. 2001.

　　[8]钊澹张广延，李敏，等.超临界干燥制备纳米SiO2粉体及其性质[J].硅酸盐学报，2005，33（3）：281-286.

　　[9]刘铃声，熊晓柏，陈建利，等.纳米粉体表面改性研究现状[J].稀土，2011，32（1）：80-85.

标签：粒子分散团聚过程