納米粉體的團(tuán)聚與分散匯總課件.ppt

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1、納米粉體的團(tuán)聚與分散1.納米粉體團(tuán)聚機(jī)理1.1清潔粉體的表面原子結(jié)構(gòu)、特性：表面原子排列突然中斷，如果在該處原子仍按照內(nèi)部方式排列，則勢(shì)必增大系統(tǒng)的自由能(主要是彈性能)。為此，表面附近原子排列必須進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方式有兩種：(1)自行調(diào)整，表面處原子排列與內(nèi)部有明顯不同；(2)靠外來(lái)因素調(diào)整，如吸附雜質(zhì)，生成新相等。1.納米粉體團(tuán)聚機(jī)理幾種清潔表面結(jié)構(gòu)自行調(diào)整形式：馳豫重構(gòu)偏析吸附化合物臺(tái)階如果是同種粉體，無(wú)論雜質(zhì)存在與否，由于馳豫產(chǎn)生的表面電荷彼此相互排斥，要使這些粉緊密接觸會(huì)相當(dāng)困難，從而帶來(lái)粉

2、成型工藝?yán)щy（如干磨后未吸附水的粉難以干壓成型）。即馳豫現(xiàn)象不會(huì)導(dǎo)致粉團(tuán)聚，而是分散。從能量的角度,弛豫導(dǎo)致粉體表面相互靠近至緊密接觸時(shí),產(chǎn)生強(qiáng)大的鍵力而相互排斥。1.納米粉體團(tuán)聚機(jī)理其它幾種靠表層原子自行調(diào)整方式，如重構(gòu)、偏析、臺(tái)階也不會(huì)導(dǎo)致粉團(tuán)聚，即粉體自身表面結(jié)構(gòu)調(diào)整是不會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚。因此，導(dǎo)致團(tuán)聚的因素必定是外來(lái)因素，即化學(xué)吸附或有新化合物生成引起的。當(dāng)使用的納米粉之間不起化學(xué)反應(yīng)，也沒(méi)有足夠的能量進(jìn)行成核、長(zhǎng)大，那么引起團(tuán)聚的因素就一定與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)，如化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附。1.納米粉體團(tuán)聚機(jī)

3、理1.2大氣環(huán)境下的納米粉體表面原子結(jié)構(gòu)、特性由于粉體外表面結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)表面的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致過(guò)剩能量即表面能的產(chǎn)生。隨著粉體變細(xì),其比表面積增加,表面能增大,表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)增強(qiáng),使納米粉的表面性質(zhì)變得更加活躍,許多在加熱條件下或高溫下才發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),在常溫下已經(jīng)很劇烈了。納米粉能夠從空氣中吸附大量的水,在表面形成羥基層和多層物理吸附水。1.納米粉體團(tuán)聚機(jī)理—OH峰取α-Al2O3納米（60nm）粉于120℃保溫1h，密封。用FT-TR紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試。其塊狀單晶無(wú)此峰α-Al2O3粉體的FT

4、-TR紅外光譜圖從亞微米到納米級(jí)α-Al2O3粉在常溫下和空氣中都具有如圖所示的吸濕曲線,且吸濕性隨表觀密度、粒度的減小而增強(qiáng)。將納米α-Al2O3粉末少量入坩堝，放入通N2氣的高溫爐中加熱至900℃，恒溫1h，冷卻至180℃時(shí)，迅速用耐高溫密封膠密封.至室溫后，稱重.打開(kāi)蓋子，讓?duì)?Al2O3粉吸附空氣中的水分，每3min稱量一次。α-Al2O3粉體的吸濕曲線8h吸附水量為30×10-3g，比亞微米粉體吸水大得多.對(duì)于粒徑為Φ=60nm的納米粉來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單位表面最大單層化學(xué)吸附量(表面全為羥基

5、時(shí)，約1×1018個(gè)/m2).這表明納米粉吸附空氣中水反應(yīng)生成羥基后，羥基又以物理吸附的形式繼續(xù)吸附空氣中的水.物理吸附水量隨時(shí)間有不斷增加趨勢(shì)，這是粉體表面自由能不斷降低，趨向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)果.大多數(shù)氧化物、金屬、碳化物、氮化物等納米粉體在大氣環(huán)境下都有這種表面羥基層結(jié)構(gòu),因而它們的團(tuán)聚機(jī)理是相同的。所不同的是,過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)及羥基的排列不同,并與制備工藝與環(huán)境的溫度、氣氛等有關(guān)。所以,弄清表面羥基層結(jié)構(gòu)相互作用與導(dǎo)致聚集機(jī)制是研究粉體團(tuán)聚機(jī)理的前提。團(tuán)聚機(jī)理團(tuán)聚硬團(tuán)聚：在強(qiáng)的作用力（化學(xué)鍵力）下使顆

6、粒團(tuán)聚在一起，不能用機(jī)械的方法分開(kāi)軟團(tuán)聚：一種由顆粒間靜電引力和范德華力作用引起的聚集，可以用機(jī)械的辦法分開(kāi)物理吸附水層由于羥基的極化作用,使吸附水性更強(qiáng)(如H+、OH-,在吸附層的濃度遠(yuǎn)大于自由水中的濃度)。第1層物理吸附水的極化又會(huì)促進(jìn)第2層、第3層物理吸附水極化。這種作用有利于吸附水層的增厚,當(dāng)吸附層達(dá)到一定厚度,粉表面就形成了水膜,于是產(chǎn)生另一種大的吸引力即水膜的表面張力。極化與反極化作用又會(huì)促進(jìn)表面離子離解或水化,形成新的物質(zhì)即固相橋?；罨苓M(jìn)一步降低,使粉間形成新相,形成一次團(tuán)聚,二次團(tuán)

7、聚。1.3粉體間的化學(xué)反應(yīng)：羥基層間的氫鍵和范德華力作用只能使粉體間形成軟團(tuán)聚,羥基層間化學(xué)反應(yīng)使氧化物、金屬、碳化物、氮化物等納米粉體產(chǎn)生硬團(tuán)聚。隨著溫度變化與水分的蒸發(fā),在表面易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氧橋、鹽橋或有機(jī)橋等鍵合聚集體,即硬團(tuán)聚體,這種反應(yīng)往往是不可逆的。1.4水在粉體團(tuán)聚中的作用在有水氣存在的干燥、熱解等加熱過(guò)程中,水成為粉體團(tuán)聚的促進(jìn)劑。一方面使粉體表面生成羥基,粉體間相互由排斥變?yōu)槲?溫度的作用降低了反應(yīng)的活化能,提高了反應(yīng)速度;另一方面,水在粉體的團(tuán)聚反應(yīng)過(guò)程中不是被消耗掉,而

8、是作為催化劑。所以,只要存在微量的水,在生產(chǎn)和加熱過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生大量的團(tuán)聚,且溫度越高,時(shí)間越長(zhǎng),團(tuán)聚越嚴(yán)重。二次粒子越大。納米微粒表面間的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)還需要進(jìn)一步研究a.表面羥基層結(jié)構(gòu)是大多數(shù)氧化物、金屬、碳化物、氮化物等納米粉體在大氣環(huán)境下的共同表面結(jié)構(gòu),因而它們的團(tuán)聚機(jī)理是相同的。b.高的比表面積和表面能是納米粉體團(tuán)聚的強(qiáng)大動(dòng)力,但潔凈納米粉體表面的結(jié)構(gòu)自身調(diào)整不是導(dǎo)致粉體間團(tuán)聚,而是導(dǎo)致分散,只有外來(lái)物質(zhì)(如空氣、水等)在表面的化學(xué)吸附與化學(xué)反應(yīng),改變了表面結(jié)構(gòu)