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纳米粉体硬团聚理论与其偏颇之处

清枫语
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楼主 发表于:2016-02-25 16:14:00
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  目前,企业可以轻易制备出各种纳米粉体,但是纳米粉体的团聚问题却又严重阻碍了纳米粉体的应用和相应的纳米材料的制备。对于具有自组装结构的纳米材料,因为团聚问题,无法得到设计的结构;对于纳米聚晶材料,同样也由于团聚,引起颗粒异常长大,从而引起性能的劣化;对于纳米发光和纳米催化等直接利用纳米粉末的场合,团聚更是直接降低了材料的性能和效率。因此,纳米技术发展到今天,团聚已经成为纳米技术继续发展的瓶颈。


  什么是纳米粉体的团聚?什么原因导致了纳米粉体的团聚呢?


  所谓纳米粉体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。粉体的团聚一般分为软团聚和硬团聚。对于粉体的软团聚机理,人们的看法比较一致,主要是由纳米粉体的表面分子或者原子之间的范德华力和静电引力导致的。而对于硬团聚,不同的化学组成、不同的制备方法有不同的团聚机理,无法用一个统一的理论来解释,理论界一般有以下几种看法,但都有偏颇之处:


  其一,毛细管吸附理论。该理论认为,纳米粉体材料自溶剂中分离和干燥过程中产生的硬团聚主要是因为排水过程中的毛细管作用造成的。按照这种理论,无论何种分散介质,所引起的硬团聚大体相同。而事实上,对许多纳米粉体,特别是氧化物纳米粉体,以水作为介质和以与水表面张力相近的有机溶剂获得的纳米粉体的团聚状态有很大差异。所以,毛细管作用虽然在粉体的团聚中起到一定作用,但这并不是引起硬团聚的根本原因。


  其二,氢键理论。该理论认输,超细颗粒之间硬团聚的主要原因是颗粒之间存在的氢键。显然,这种理论是不完整的。如果颗粒之间的作用力仅是氢健,那么在完全脱水后,粉体之间的氢键是完全可以消除的,而实际上,脱水不会引起团聚程度的降低。所以,对大多数硬团聚现象,氢键理论并不适用。


  其三,晶桥理论。该理论是建立在纳米粉体在分散介质,特别是水中有一定溶解现象的基础上。事实上,对于氧化物-水系统,当颗粒尺寸在纳米级时,由于表面原子处于高能量状态,会进入分散介质特别是水中形成溶解-沉析过程,所以这一理论也不十分适当。


  上面三种理论都有偏颇之处,那么到底是何原因导致纳米粉体产生硬团聚现象呢?化学键作用理论和表面原白扩散键合机理道出了真伪。


  化学键作用理论。该理论业务认为纳米颗粒表面存在 的与金属离子结合的非架桥羟基是产生硬团聚的根源。这一理论从表面原子键合的角度解释了纳米粉体间的团聚行为,应该说,化学键作用是产生硬团聚的根本原因。而表面原子扩散键合机理认为,大多数液相合成的纳米粉体,在液固分离后一般是氢氧化物、盐、金属有机化合物等,这些化合物须在一定温度下分解后才能得到所需的纳米粉体。在高温分解过程中,由于刚刚分解得到的粉体颗粒表面原子具有很大的活性,并且颗粒为纳米级,表面断键引起原子的能量远高于内部原子的能量,这就很容易使颗粒表面原子扩散到相邻颗粒表面并与其对应的原子键合,形成稳固的化学键,从而形成永久性的硬团聚。