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如何看待納米顆粒團聚現象

發布時間:2021-09-07      點擊次數:1431

如何看待納米顆粒團聚現象

納米科技作為21世紀影響人類發展方向的高新技術具有奇妙而光明的應用情景,而其中納米復合材料由于其優良的綜合性能已經成為納米材料工程的重要組成部分。所謂“納米復合材料"指分散相尺度至少有一維小于100nm的復合材料即把納米顆粒分散到常規的三維固體中。用這種方法獲得的納米復合材料尤其是有機無機分子存在相互作用的復合材料由于其優越性能和廣泛的應用前景已成為當今納米材料學研究的熱點之一,但是納米顆粒本身極易團聚,因而獲得理想的有機-無機納米復合材料的首要問題是如何將納米顆粒分散到有機聚合物中。研究表明采用適當的物理、化學方法對納米顆粒進行有效分散和表面修飾可以解決這個問題。

1.納米顆粒的團聚原理

1.1納米顆粒的表面效應:納米顆粒的表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質上的變化。納米顆粒具有很高的表面積,當納米顆粒的粒徑在10nm以下時,表面原子的比例迅速增加,當粒徑降至1nm時,表面原子比例高達90%以上,原子幾乎全部集中到顆粒的表面,處于高度活化狀態,導致表面原子配位數不足和高表面能,從而使這些原子極易與其他原子相結合而穩定下來,可見,納米顆粒具有很高的化學活性,表現出強烈的表面效應。

1.2布朗運動

顆粒與溶劑的碰撞使得顆粒具有與周圍顆粒相同的動能,因此小顆粒運動得快,納米小顆粒在做布朗運動時彼此會經常碰撞到,由于吸引作用,它們會連接在一起,形成二次顆粒。二次顆粒較單一顆粒運動的速度慢,但仍有機會與其他顆粒發生碰撞,進而形成更大的團聚體,直到大到無法運動而沉降下來。

1.3范德華力和氫鍵的影響

懸浮在溶液中的微粒普遍受到范德華力的作用,很容易發生團聚。范德華力與顆粒直徑成反比,納米顆粒由于尺寸小,因而具有較強的范德華力作用。常見的納米顆粒如SiO2顆粒是由剛性、實心、極細的球狀顆粒組成,生成時眾多顆粒熔結在一起,形狀很不規則,且納米SiO2分子表面有很多的-OH,水分子很容易和表面的-OH生成氫鍵,具有親水的強極性表面,它們之間由于氫鍵和范德華力的吸引而容易生成集結群,受力后易分開,但很容易再集結。

2.分散方法

納米顆粒在溶劑中的分散屬于溶膠,如果經過較長時間膠體顆粒仍能保持分散狀態,這個體系就是穩定的。為了達到膠體化學意義上的穩定狀態有兩種途徑:(1)使顆粒帶上相同符號的電荷,彼此互相排斥。(2)通過在顆粒表面吸附某種物質如高分子,阻止顆粒的相互接近,這兩種機制結合起來被稱為“靜電空間位阻穩定作用"。目前常采用的分散方法有物理的和化學的方法。

2.1物理分散方法

物理分散方法常用的有機械分散法和超聲分散法。機械法主要是利用機械應力作用有目的地對粒子表面進行激活以改變其表面晶體結構和物理化學性質,而超聲分散法是近年來研究的熱點領域。利用超聲波可以有效地將納米顆粒的軟團聚打開,粉體由于強烈的沖擊、剪切、研磨后以更為均勻的小的團聚體分散在介質中。

2.2化學分散方法

化學分散方法是選擇一種或多種適宜的分散劑提高懸浮體的分散性而在懸浮體中加入分散劑,使其在顆粒表面吸附,可以改變顆粒表面的性質,從而改變顆粒與液相介質、顆粒與顆粒間的相互作用,使顆粒間有較強的排斥力。常用的分散劑主要有以下幾類:

2.2.1表面活性劑  表面活性劑是由親油基和親水基兩部分組成,是雙親分子,包括長鏈脂肪酸、十六烷基甲基溴化銨(CTAB)等,該類分散劑的作用主要是空間位阻效應,親水基吸附在粉體表面,疏水鏈伸向溶劑中。

2.2.2小分子無機電解質或無機聚合物  如硅酸鈉、鋁酸鈉、檸檬酸銨等,這類分散劑可以發生離解而帶電,吸附到粉體表面可以提高顆粒表面電勢,使靜電斥力增大。

2.2.3聚合物類  這類分散劑具有較大的分子量,吸附在固體顆粒表面,其高分子長鏈在介質中充分伸展,形成幾納米到幾十納米的吸附層,產生的空間位阻效應能有效阻止顆粒間相互聚集。

3.納米顆粒的表面修飾

“納米顆粒的表面修飾"就是用物理、化學方法改變納米顆粒表面的結構和狀態,從而賦予顆粒新的機能并使其物性得到改善,實現人們對納米顆粒表面的控制。許多學者在這一領域進行了研究、探索,提出了多種表面修飾方法,按其原理可以分為表面物理修飾和表面化學修飾兩大類;按其工藝可分為7類:表面覆蓋修飾、局部化學修飾、機械化學修飾、外膜修飾、高能量表面修飾、沉淀反應修飾。

3.1表面物理修飾

表面物理修飾主要包括溶液或熔體中聚合物沉積、吸附改性、單體包敷聚合改性、表面活性劑覆蓋改性、外層膜改性及高能量改性等。近年來報道較多的是表面活性劑的應用。通過添加高分子表面活性劑讓其吸附在溶膠顆粒周圍使粒子間存在空間位阻力勢能,從而使顆粒間勢壘變大,達到防止團聚體的目的。

3.2表面化學修飾

表面化學修飾總的來說就是通過納米顆粒表面與改性劑之間進行化學反應,改變納米顆粒的表面結構和狀態,以達到表面改性的目的,是一種比較可靠但較復雜的方法,它通過化學鍵共價固定,主要包括酯化反應法表面修飾、偶聯劑表面覆蓋修飾和表面接枝聚合物修飾。

3.2.1酯化反應  利用酯化反應對納米顆粒表面修飾改性最主要的是使原來親水疏油的表面變成親油疏水的表面。

3.2.2偶聯劑表面覆蓋法  一般無機納米顆粒表面經過偶聯劑處理后可以與有機物產生很好的相容性。有效的偶聯劑分子結構應是一端能與無機物表面進行化學反應,另一端能與有機物或高聚合物起反應或有相容性的雙功能基團化合物。

3.2.3表面接枝法  是通過化學反應將高分子鏈接到無機納米顆粒表面上的方法,可分為偶聯接枝法、顆粒表面聚合生長接枝法、聚合與表面接枝同步進行法。偶聯接枝法是通過納米顆粒表面的高能團與高分子的直接反應實現接枝,顆粒表面聚合生長接枝法是的安提在引發劑作用下直接從無機顆粒表面開始聚合,誘發生長,完成顆粒表面高分子包敷。聚合與表面接枝同步進行法則要求無機納米顆粒表面具有較強的自由基捕捉能力,單體在引發劑作用下完成聚合的同時,立即唄無機納米顆粒便面強自由基捕獲,使高分子鏈與無機納米克克里表面化學鏈接。

4.結語

綜合上述,納米顆粒的團聚問題是納米復合材料合成過程中最關鍵的技術問題。而今,隨著科技高速發展,許多科研工作者的頑強拼搏中,在醫學領域中已經把納米復合材料廣泛的應用于臨床。醫學中可作為藥物納米載體,更多于航空航天、國防、交通、體育等領域,納米復合材料則是其中最具吸引力的部分,世界發達國家新材料發展的戰略都把納米復合材料的發展放到重要的位置。

參考文獻:

[1]朱燕萍綜述.徐連來.李長福審校.納米顆粒團聚問題的研究進展(M)天津:天津醫科大學口腔醫院.2005.338-340



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