第三章纳米粉体的分散

《第三章纳米粉体的分散》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章纳米粉体的分散（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、纳米粉体的分散纳米粉体的分散及表面改性及表面改性材料学院 王晓冬河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院纳米材料导论纳米材料导论- -第一章第一章第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散物理法分散纳米粉体物理法分散纳米粉体1化学法分散纳米粉体化学法分散纳米粉体2聚电解质分散剂聚电解质分散剂3影响纳米粉体浆料稳定性的因素影响纳米粉体浆料稳定性的因素4分散剂的优化分散剂的优化5粉体预处理改善可分散性粉体预处理改善可分散性6多组分粉体的分散多组分粉体的分散7纳米粉体在非水介质中的分散纳米粉体在非水介质中的分散8河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散v纳米

2、科学虽发展时间仅纳米科学虽发展时间仅20多年，但纳米材料表现多年，但纳米材料表现出来的各方面的特异性质，受到人们极大关注出来的各方面的特异性质，受到人们极大关注v但纳米粒子粒径小，表面能高，具有自发团聚的但纳米粒子粒径小，表面能高，具有自发团聚的趋势。而团聚会大大影响纳米粉体优势的发挥趋势。而团聚会大大影响纳米粉体优势的发挥v因此如何改善纳米粉体在液相介质中的分散和稳因此如何改善纳米粉体在液相介质中的分散和稳定性是非常重要的课题。定性是非常重要的课题。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散v颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘科学颗粒分散是近年来发展起

3、来的新兴边缘科学v颗粒分散是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并颗粒分散是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程在整个液相中均匀分布的过程v包括包括润湿润湿、解团聚解团聚和分散颗粒的和分散颗粒的稳定化稳定化3个阶段个阶段河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散v润湿润湿是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程v解团聚解团聚是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集体分散

4、为较小颗粒体分散为较小颗粒v稳定化稳定化是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散v根据根据分散介质分散介质分散体系区分为水性体系和非水性体系分散体系区分为水性体系和非水性体系v根据根据分散方法分散方法区分为物理分散和化学分散区分为物理分散和化学分散v物理分散：物理分散：超声波分散和机械力分散等超声波分散和机械力分散等v化学分散化学分散是指选择一种回落多种适宜的分散剂提高悬浮是指选择一种回落多种适宜的分散剂提高悬浮体的分散性，以改善其稳定性和流变性体的分散性，以改善其稳定

5、性和流变性河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散第第1节节物理法分散纳米粉体物理法分散纳米粉体河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节1.超声波法超声波法v声波声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。声波的频率范围：便

6、是声波。声波的频率范围：20Hz20kHz。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节v超声波超声波超声波是指振动频率大于超声波是指振动频率大于20kHz以上的以上的,其每秒的其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限，振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波人们将这种听不见的声波叫做超声波v超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式内会传播，是一种能量的传播形式v超声波具有

7、超声波具有超声频率高超声频率高，波长短波长短，在一定距离内，在一定距离内沿直线传播沿直线传播具有良好的具有良好的束射性束射性和和方向性方向性v腹部超声成象腹部超声成象（B超）超）所用的频率范围在所用的频率范围在25MHz之间，常用为之间，常用为33.5MHz河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节v超声分散是将需处理的颗粒悬超声分散是将需处理的颗粒悬浮液直接置于超声场中，用适浮液直接置于超声场中，用适当的频率和功率的超声波加以当的频率和功率的超声波加以处理，是一种强度很高的分散处理，是一种强度很高的分散手段。手段。v超声分散的机理与空化作用有超声分散的机理与空化作用有关

8、关DL-180E超声波清洗器超声波清洗器河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节超声分散机理超声分散机理v首先，超声波的传播需以介质为载体的首先，超声波的传播需以介质为载体的v超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周超声波在介质中的传播存在一个正负压的交变周期，期，介质介质在胶体的正负压强下收到挤压和牵拉在胶体的正负压强下收到挤压和牵拉v超声波作用于介质液体时，在负压区内介质分子超声波作用于介质液体时，在负压区内介质分子间的距离间的距离会超过会超过液体介质保持不变的的临界分子液体介质保持不变的的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡距离，液体介质就会发生断

9、裂，形成微泡，微泡长大变成空化气泡。长大变成空化气泡。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节超声分散机理超声分散机理v气泡可重新气泡可重新溶解溶解于气体中，也可于气体中，也可上浮上浮并并消失消失，也，也可能可能脱离脱离超声场的共振相位而超声场的共振相位而溃陷溃陷。v这种空化气泡在液体介质中这种空化气泡在液体介质中产生产生、溃陷溃陷或或消失消失的的现象，就是现象，就是空化作用空化作用v空化作用会产生局部的空化作用会产生局部的高温高压高温高压，并产生，并产生巨大的巨大的冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能被削弱被削弱，从而实

10、现对纳米粉体的分散作用，从而实现对纳米粉体的分散作用河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院超声分散的效果超声分散的效果SiO2胶体颗粒超声分散前后的分散状态，胶体颗粒超声分散前后的分散状态，a、分散前；、分散前；b、分散后、分散后ab河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节v超声分散的特点超声分散的特点A、悬浮体的分散存在最适宜的超声频率，这取决于悬浮粒、悬浮体的分散存在最适宜的超声频率，这取决于悬浮粒子的粒度。子的粒度。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节B、超声时间和超声频率恒定，超声功率对浆料性、超声时间和超声频率恒定，超声功率对浆料

11、性能有较大影响能有较大影响 例如：例如：ZrO2-Al2O3双组分混合浆料双组分混合浆料与未超声浆料相比，超声功率越大，浆料的表与未超声浆料相比，超声功率越大，浆料的表观粘度越低观粘度越低C、若长时间超声操作，会导致过热，反而会加剧、若长时间超声操作，会导致过热，反而会加剧团聚团聚通常应采取间隔超声的方法通常应采取间隔超声的方法河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第1节节2、机械分散法、机械分散法是借助外界剪切力或撞击力等机械能使纳米是借助外界剪切力或撞击力等机械能使纳米粒子在介质中充分分散的一种方法粒子在介质中充分分散的一种方法 纳米机械粉碎纳米机械粉碎是从传统的机械碎技

12、术中发展是从传统的机械碎技术中发展起来的。粉碎：是指固体物料粒子尺寸起来的。粉碎：是指固体物料粒子尺寸由大变小由大变小过程的总称，包括过程的总称，包括“破碎破碎”和和“粉磨粉磨” 破碎：是指由大块料变成小块料的过程；破碎：是指由大块料变成小块料的过程； 粉磨：是指小块料变成粉体的过程。粉磨：是指小块料变成粉体的过程。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院粉碎力的类型粉碎力的类型(a)(e)(b)(c)(d)(f)(g)(h)河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院机械分散法机械分散法v机械分散法可分为：机械分散法可分为：研磨、普通球磨、振动球磨、胶体磨、研磨、普通球磨、振动球磨、胶体磨、空气

13、磨、机械搅拌等空气磨、机械搅拌等v粉碎极限问题：粉碎极限问题： 纳米粉碎中，因细颗粒具有巨大的界面能，颗纳米粉碎中，因细颗粒具有巨大的界面能，颗粒间范德华力较强，随粒子粒度的减小，颗粒间粒间范德华力较强，随粒子粒度的减小，颗粒间自动聚集的趋势变大，分散作用与聚集作用达到自动聚集的趋势变大，分散作用与聚集作用达到平衡，粒径不再变化。平衡，粒径不再变化。因此，粉碎到一定程度，粒径因此，粉碎到一定程度，粒径不再减小不再减小或减小或减小速率速率相当缓慢相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。，这就是物料的粉碎极限。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院机械分散法的弊端机械分散法的弊端v在浆料中引入杂质，影响

14、浆料的在浆料中引入杂质，影响浆料的纯度纯度和和性能性能球磨筒和球本身球磨筒和球本身被磨损被磨损，磨损物质进入浆料成，磨损物质进入浆料成为杂质为杂质v机械分散过程可能会改变粉末的物理化学性质，机械分散过程可能会改变粉末的物理化学性质，例如：例如：提高粉末的表面能，增加晶格不完整性，形成提高粉末的表面能，增加晶格不完整性，形成表面无定形层。表面无定形层。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散5.2 化学法分散纳米粉体化学法分散纳米粉体河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第2节节v纳米颗粒在水介质中的分散是一个分散和絮凝平纳米颗粒在水介

15、质中的分散是一个分散和絮凝平衡的过程衡的过程v物理方法的局限性物理方法的局限性分散分散团聚团聚v化学分散：加入分散剂，吸附在颗粒的表面，通化学分散：加入分散剂，吸附在颗粒的表面，通过颗粒与介质、颗粒之间的作用，增加颗粒间的过颗粒与介质、颗粒之间的作用，增加颗粒间的排斥力，来实现更长时间的分散排斥力，来实现更长时间的分散机械作用机械作用停止机械作用停止机械作用河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第2节节v常用的分散剂常用的分散剂（1）表面活性剂）表面活性剂空间位阻效应空间位阻效应（2）小分子量无机电解质或无机聚合物）小分子量无机电解质或无机聚合物吸附提高颗粒表面电势吸附提高颗

16、粒表面电势（3）聚合物类）聚合物类(应用最多应用最多)空间位阻效应、静电效应空间位阻效应、静电效应（4）偶联剂类）偶联剂类河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1 1、试述纳米粉体超声分散机理、试述纳米粉体超声分散机理2 2、什么是粉碎极限？、什么是粉碎极限？3 3、试述物理和化学分散纳米颗、试述物理和化学分散纳米颗粒的区别。粒的区别。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散3、聚电解质分散剂、聚电解质分散剂河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v聚电解质聚电解质是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基是指在高分子

17、链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子团的水溶性高分子CH3(CH2C)nCOOHv水溶液中，聚电解质发生解离后则带有较高的电水溶液中，聚电解质发生解离后则带有较高的电荷密度，同时还有较高的分子量，表现出一些特荷密度，同时还有较高的分子量，表现出一些特出的物化性质。出的物化性质。聚丙烯酸（聚丙烯酸（PMAA）河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v聚电解质的分子量聚电解质的分子量分子量是对聚合物使用功能影响最大的性质之一分子量是对聚合物使用功能影响最大的性质之一v最大可以到数千万，也可小到几百，例如：最大可以到数千万，也可小到几百，例如：聚丙烯酸分子量为聚丙烯

18、酸分子量为2000至几万，阻垢分散剂至几万，阻垢分散剂中等分子量是纸张的增强剂（几万至几十万）中等分子量是纸张的增强剂（几万至几十万）高分子量的聚丙烯酸是絮凝剂（几百万至上千万）高分子量的聚丙烯酸是絮凝剂（几百万至上千万）v选择聚电解质做分散剂时，不仅要考虑其选择聚电解质做分散剂时，不仅要考虑其分子结分子结构还要考虑分子量的影响构还要考虑分子量的影响河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v分子量的测定方法分子量的测定方法粘度法（最常用）粘度法（最常用）端基法端基法冰点下降、沸点升高法等冰点下降、沸点升高法等v其它方法：其它方法：渗透压法渗透压法蒸气压降低法蒸气压降低法

19、光散射法光散射法超速离心法超速离心法凝胶色谱法等凝胶色谱法等河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v粘度法及其原理粘度法及其原理主要根据半经验的麦克（主要根据半经验的麦克（Mark-Houwink）非线性方程非线性方程-是高分子稀释溶液的特性粘数，采用乌式粘度计测量是高分子稀释溶液的特性粘数，采用乌式粘度计测量K-比例常数；-与高聚物在溶液中的形态有关的经验参数。K、值可从文献或有关手册查出值可从文献或有关手册查出k、值会因所用溶剂的不同及实验温度的不同而具有不同值会因所用溶剂的不同及实验温度的不同而具有不同数值数值 河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三

20、章 第第3节节v聚电解质的离解特性聚电解质的离解特性v聚电解质通常具有一定的酸碱性，有强弱之分聚电解质通常具有一定的酸碱性，有强弱之分v若为强酸强碱，则可以若为强酸强碱，则可以100离解离解v若为若酸碱，一般是不能完全离解的若为若酸碱，一般是不能完全离解的v通常用通常用离解百分数离解百分数或或表观离解常数表观离解常数K来表示聚电来表示聚电解质的离解特性解质的离解特性河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节碱滴定高分子酸的电导率变化示意图碱滴定高分子酸的电导率变化示意图12电电导导率率1中和度中和度v区分强弱区分强弱酸的方法酸的方法vNaOH的电的电导滴定导滴定聚合物弱酸

21、聚合物弱酸聚合物强酸聚合物强酸河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v大多数聚电解质为弱酸碱大多数聚电解质为弱酸碱v聚甲基丙烯酸（聚甲基丙烯酸（PMAA）是最常用的聚合物弱酸是最常用的聚合物弱酸碱，以它为例介绍聚电解质的离解特性碱，以它为例介绍聚电解质的离解特性v聚合物弱酸碱的离解度随聚合物弱酸碱的离解度随pH值值的变化而变化，可的变化而变化，可采用采用电位滴定法电位滴定法确定离解度随确定离解度随pH的变化的变化河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v实验步骤实验步骤1、在聚合物酸溶液中加几滴、在聚合物酸溶液中加几滴HNO3，pH值调至值调至

22、2.52、加入、加入KNO3电解质以维持其离子强度，用标准电解质以维持其离子强度，用标准NaOH溶液溶液滴定至滴定至pH12.5，记录，记录pH值随值随NaOH加入量的变化加入量的变化3、滴定空白曲线：相同离子强度、滴定空白曲线：相同离子强度不含聚合物酸不含聚合物酸的溶液用相的溶液用相同方法滴定同方法滴定4、将聚合物酸和空白滴定曲线用、将聚合物酸和空白滴定曲线用8次多项式来回归，即扣除次多项式来回归，即扣除稀释对浓度产生的影响，然后稀释对浓度产生的影响，然后两者之差两者之差即为离解的聚合物即为离解的聚合物酸消耗的净酸消耗的净H量，量，5、用获得的离解率、用获得的离解率对对pH作曲线，便得到聚合

23、物的离解度随作曲线，便得到聚合物的离解度随pH的变化曲线的变化曲线河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v0.08%的的PMAA水溶液的滴定曲线（水溶液的滴定曲线（a）及离解度随）及离解度随pH的变化（的变化（b）0.08PMAA净消耗净消耗空白曲线空白曲线pH值值消消耗耗的的OH-量量离离解解度度pH值值0.01.00.53117(a)(b)311710.5完全离解完全离解河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v影响聚合物离解的因素影响聚合物离解的因素(1)聚合物上基团的离解受相邻基团聚合物上基团的离解受相邻基团离解与否离解与否的影响的影响

24、相邻基团的离解会相邻基团的离解会抑制抑制其它基团的离解其它基团的离解(2)离子浓度离子浓度对离解度会产生影响对离解度会产生影响离子浓度越高，对已电离基团的电荷屏蔽越大，相同离子浓度越高，对已电离基团的电荷屏蔽越大，相同pH值下离解度就越高值下离解度就越高(3)分子量分子量的影响的影响分子量越低，相同分子量越低，相同pH值下离解度越低值下离解度越低(4)还与还与分子结构分子结构有关有关河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v聚电解质聚电解质离解度离解度对高分子链伸展度的影响对高分子链伸展度的影响(1)离解度离解度对高分子链的构型有显著影响对高分子链的构型有显著影响(2)

25、随离解度增大，离解基团间的静电斥力加大，高随离解度增大，离解基团间的静电斥力加大，高分子链的构型会分子链的构型会由卷曲态逐渐向伸展态过渡由卷曲态逐渐向伸展态过渡河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节图图. PAA的表观离解常数随离解度的变化的表观离解常数随离解度的变化ABCD平均分子量平均分子量50005000090000150000离解度离解度pKapp486570.01.00.40.60.80.2A区区：pH3.5,pKapp随随增增加急剧下降，不解离，长加急剧下降，不解离，长链卷曲链卷曲B区区：4pH6,pKapp随随增加而增加，且呈线性关增加而增加，且呈线性关

26、系，长链仍卷曲系，长链仍卷曲C区区：6pH7,70%以上羧基以上羧基离解，完全伸展离解，完全伸展河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第3节节v聚合物伸展度可用水力学半径表征聚合物伸展度可用水力学半径表征v高分子链月伸展，半径越大；反之，越卷曲高分子链月伸展，半径越大；反之，越卷曲v水力学半径可通过动态激光散射法（激光粒度仪）测定水力学半径可通过动态激光散射法（激光粒度仪）测定河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1、如何测定聚合物离解度随、如何测定聚合物离解度随pH变化变化曲线？曲线？2、影响聚合物离解的因素有哪些？、影响聚合物离解的因素有哪些？3、简述聚电解质离

27、解度对高分子链、简述聚电解质离解度对高分子链伸展度的影响规律伸展度的影响规律河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散第第4节节 聚电解质在纳米粉体上的吸附聚电解质在纳米粉体上的吸附河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v聚电解质的聚电解质的分散作用分散作用是通过其在粉体表面上的是通过其在粉体表面上的吸吸附附来实现的来实现的v本节内容本节内容:1、聚电解质在纳米粉体上的吸附等温式、聚电解质在纳米粉体上的吸附等温式2、吸附量的测定方法、吸附量的测定方法3、分散剂在粉体表面的吸附层构型、分散剂在粉体表面的吸附层构型4、吸附量的影响因

28、素、吸附量的影响因素v这里只介绍后面两点这里只介绍后面两点河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v聚电解质的吸附构型及厚度聚电解质的吸附构型及厚度聚电解质具有柔顺性，其在水中的构型会随离聚电解质具有柔顺性，其在水中的构型会随离解度、溶剂性质等因素而改变解度、溶剂性质等因素而改变v与聚电解质吸附构型有关的因素：与聚电解质吸附构型有关的因素：(1)粉体表面的粉体表面的活性吸附位置数活性吸附位置数(2)高分子链上的高分子链上的可吸附基团数可吸附基团数(3)高聚物分子同溶剂以及其它高聚物分子间的高聚物分子同溶剂以及其它高聚物分子间的相互竞争相互竞争(4)溶剂分子的溶剂分子的吸

29、附能力吸附能力(5)基团在分子链上的基团在分子链上的位置位置河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节图图.不同不同pH值下值下PAA在在ZrO2表面的吸附构型表面的吸附构型ZrO2ZrO2ZrO200000pH值值增加增加v当当pH4时，时，PAA几乎不解离，几乎不解离，以线团方式存在于固液界面以线团方式存在于固液界面上，吸附层很薄，几乎无位上，吸附层很薄，几乎无位阻作用阻作用v随随pH值增加，链节间静电斥值增加，链节间静电斥力使其伸展开。力使其伸展开。vZrO2表面电荷减小直至由正表面电荷减小直至由正变负，变负，PAA的负电荷量增加，的负电荷量增加，其间斥力增加，使得

30、其间斥力增加，使得PAA链链更加伸展，可在较远范围提更加伸展，可在较远范围提供静电位阻作用供静电位阻作用河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v高分子吸附层厚度高分子吸附层厚度固体表面到最外端链间的距离固体表面到最外端链间的距离v影响因素：影响因素：1、由吸附形态决定，吸附链节越少，越伸展，吸、由吸附形态决定，吸附链节越少，越伸展，吸附层越厚附层越厚2、溶剂的溶解性越好以及高分子链与固体表面带、溶剂的溶解性越好以及高分子链与固体表面带有相同电荷，吸附层越厚有相同电荷，吸附层越厚v还有：还有：聚合物线团在溶液中的大小聚合物线团在溶液中的大小接触链段的数目、层中链段密度的

31、分布等接触链段的数目、层中链段密度的分布等河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v吸附层厚度是决定分散体系稳定性的一个吸附层厚度是决定分散体系稳定性的一个最重要的因素（特别是非水体系中）最重要的因素（特别是非水体系中）v一般情况下，聚电解质的伸展度越大，吸一般情况下，聚电解质的伸展度越大，吸附层厚度越厚，空间位阻效应越大，分散附层厚度越厚，空间位阻效应越大，分散效果越好，分散体系越稳定效果越好，分散体系越稳定河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v影响聚电解质吸附量的因素影响聚电解质吸附量的因素1、粉体的物理化学性质、粉体的物理化学性质如：孔

32、隙度、比表面积、极性等如：孔隙度、比表面积、极性等2、pH值值非离子性化合物对粉体表面的吸附无影响非离子性化合物对粉体表面的吸附无影响而对粉体表面电位（而对粉体表面电位（电位电位）和电解质的离解度）和电解质的离解度有影响，亦即通过静电作用对吸附产生影响有影响，亦即通过静电作用对吸附产生影响河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节图图.聚乙烯亚胺在氧化锆（聚乙烯亚胺在氧化锆（ZrO2）上的吸附线）上的吸附线河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第4节节v影响聚电解质吸附量的因素影响聚电解质吸附量的因素,还有：还有：3、聚电解质的分子量、聚电解质的分子量4

33、、电解质的种类和浓度、电解质的种类和浓度5、溶剂种类、溶剂种类6、温度、温度河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1、聚电解质的吸附构型及厚度受哪些因、聚电解质的吸附构型及厚度受哪些因素影响？素影响？河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散第第5节节 影响纳米粉体浆料稳定性的因素影响纳米粉体浆料稳定性的因素河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第5节节v纳米粉体因表面积大，表面能高，在液相介质中纳米粉体因表面积大，表面能高，在液相介质中受范德华力作用极易发生团聚受范德华力作用极易发生团聚v尤其当分散体系的相浓度（固含量，质量

34、百分比尤其当分散体系的相浓度（固含量，质量百分比或体积百分比）很高时，颗粒平均间距下降，因或体积百分比）很高时，颗粒平均间距下降，因碰撞而团聚的几率大大增加。碰撞而团聚的几率大大增加。例如：同样为相浓度为例如：同样为相浓度为25vol的的SiO2浆料，当粉体浆料，当粉体直径为直径为100nm是，颗粒平均间距为是，颗粒平均间距为36nm；而粒径为；而粒径为20nm时，平均间距仅为时，平均间距仅为7.2nmv由此可见，颗粒彼此发生碰撞而发生团聚的概率由此可见，颗粒彼此发生碰撞而发生团聚的概率是非常大的是非常大的河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第5节节v聚电解质分散剂兼有静电

35、稳定和空间位阻两种效聚电解质分散剂兼有静电稳定和空间位阻两种效应，是目前为止最有效的分散剂。应，是目前为止最有效的分散剂。v本节介绍用聚电解质分散剂分散纳米粉体时，影本节介绍用聚电解质分散剂分散纳米粉体时，影响浆料稳定性的各种因素：响浆料稳定性的各种因素：1、聚电解质的分子量、聚电解质的分子量2、分散剂用量、分散剂用量3、温度、温度河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第5节节v聚电解质分子量聚电解质分子量图图.不同分子量的不同分子量的PEI（聚乙烯丙胺）的加入量使（聚乙烯丙胺）的加入量使SiO2浆料粘度达到的最低值浆料粘度达到的最低值河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院

36、第三章第三章 第第5节节v聚电解质分子量聚电解质分子量v聚乙烯丙胺（聚乙烯丙胺（PEI）对）对SiO2粉体的分散作用是通过粉体的分散作用是通过静电位阻机制实现的静电位阻机制实现的当聚电解质分子量过小，在粉体表面的吸附较弱，吸当聚电解质分子量过小，在粉体表面的吸附较弱，吸附层也较薄，影响位阻作用的发挥附层也较薄，影响位阻作用的发挥分子量过大，易发生桥连或空位絮凝，使团聚加重，分子量过大，易发生桥连或空位絮凝，使团聚加重，粘度增加粘度增加河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第5节节v分散剂用量分散剂用量v适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定用

37、量过低，粉体表面产生不同带电区域，相邻颗粒因用量过低，粉体表面产生不同带电区域，相邻颗粒因静电引力发生吸引，导致絮凝静电引力发生吸引，导致絮凝用量过高，离子强度过高，压缩双电层，减小静电斥用量过高，离子强度过高，压缩双电层，减小静电斥力；同时，还易发生桥连或空缺絮凝，稳定性下降。力；同时，还易发生桥连或空缺絮凝，稳定性下降。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第5节节v温度温度v温度是纳米粉体处理中一个十分重要的参数温度是纳米粉体处理中一个十分重要的参数v它不仅与干燥、煅烧、烧结等步骤有关，而且与悬浮液的它不仅与干燥、煅烧、烧结等步骤有关，而且与悬浮液的流变性质密切相关流变

38、性质密切相关vGuo等人研究了等人研究了聚丙烯酸铵聚丙烯酸铵分散氧化铝悬浮液中温度的影分散氧化铝悬浮液中温度的影响响v研究表明，为了获得较好的分散效果（以最低粘度为衡量研究表明，为了获得较好的分散效果（以最低粘度为衡量标准），随温度的升高，所需分散剂的用量随之增加标准），随温度的升高，所需分散剂的用量随之增加河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散第第6节节 分散剂的优化分散剂的优化河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第6节节1、聚电解质分散剂的优化、聚电解质分散剂的优化v聚电解质吸附在粉体表面，对悬浮液的稳定作用聚电解质吸附在粉体

39、表面，对悬浮液的稳定作用主要是通过静电位阻效应起作用的，因此聚合物主要是通过静电位阻效应起作用的，因此聚合物分子结构对稳定性有较大影响分子结构对稳定性有较大影响v研究具有更加有效分散性能的聚电解质已经成为研究具有更加有效分散性能的聚电解质已经成为研究热点研究热点v目前，有效的聚电解质是目前，有效的聚电解质是嵌段共聚物嵌段共聚物和和接枝共聚接枝共聚物物v这种共聚物是通过两种单体共聚反应而成这种共聚物是通过两种单体共聚反应而成河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第6节节(CHCH2)m (CHCH2)n COO-NH4+ COOCH3(a)(b)图图. 嵌段共聚物（嵌段共聚物（

40、a）和接枝共聚物）和接枝共聚物（b）在固体表面的吸附）在固体表面的吸附图图. 丙烯酸铵丙烯酸铵-丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯共聚物分子结构共聚物分子结构研究表明，研究表明，m:n=30:70时，对氧化铝浆料时，对氧化铝浆料（40vol）的分散效）的分散效果最好果最好由较长的由较长的M1链段和较长的链段和较长的M2链段间隔链段间隔排列形成大排列形成大分子分子链。根据链段的多少链。根据链段的多少可以分为二嵌段，如苯乙烯可以分为二嵌段，如苯乙烯-丁二烯丁二烯共聚物；三嵌段，如苯乙烯共聚物；三嵌段，如苯乙烯-丁二烯丁二烯-苯乙烯；多嵌段共聚物等。苯乙烯；多嵌段共聚物等。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院

41、第三章第三章 第第6节节2、高价小分子型分散剂的优化、高价小分子型分散剂的优化v该分散剂可提高颗粒表面带电量，增加颗粒间的该分散剂可提高颗粒表面带电量，增加颗粒间的静电斥力，以提高体系的稳定性静电斥力，以提高体系的稳定性v依据此原理，该分散剂的优化方法有二：依据此原理，该分散剂的优化方法有二：（1）分散剂分子在粉体表面发生较强吸附；）分散剂分子在粉体表面发生较强吸附；（2）分子中有多个可离解基团，在配置浆料适）分子中有多个可离解基团，在配置浆料适宜的宜的pH值附近，发生离解基团所带电荷越多越好值附近，发生离解基团所带电荷越多越好河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第6节节v

42、目前常用的小分子型分散剂所含有的活性基团大目前常用的小分子型分散剂所含有的活性基团大多是羧基和磷酸基多是羧基和磷酸基v如柠檬酸是一种羟基羧酸，其中含有如柠檬酸是一种羟基羧酸，其中含有3个可离解的个可离解的羧基羧基v磷酸基、多聚磷酸则是依靠磷酸基离解为多价阴磷酸基、多聚磷酸则是依靠磷酸基离解为多价阴离子，吸附到粉体表面而起到分散作用的离子，吸附到粉体表面而起到分散作用的河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第6节节3、无机溶胶分散纳米粉体、无机溶胶分散纳米粉体v纳米粉体分散工艺中，最常用的是纳米粉体分散工艺中，最常用的是聚电解质聚电解质和和高高价小分子电解质类价小分子电解质类分

43、散剂分散剂v但近几年发现，无机溶胶如但近几年发现，无机溶胶如SiO2溶胶、溶胶、Al2O3溶胶溶胶和和ZrO2溶胶等也可稳定分散纳米粉体悬浮液溶胶等也可稳定分散纳米粉体悬浮液v无机溶胶作为分散剂，不仅可提高陶瓷素坯的强无机溶胶作为分散剂，不仅可提高陶瓷素坯的强度，还可促进基体材料的烧结。而有机分散剂则度，还可促进基体材料的烧结。而有机分散剂则会在制品中产生显微缺陷会在制品中产生显微缺陷河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第6节节河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院上节课内容（上节课内容（10月月11日）日）第第2节节化学法分散纳米颗粒化学法分散纳米颗粒第第3节节聚电解质

44、分散剂聚电解质分散剂定义、分子量及测量、离解特性及其对分子构型的影响定义、分子量及测量、离解特性及其对分子构型的影响第第4节节聚电解质在纳米粉体上的吸附聚电解质在纳米粉体上的吸附吸附层构型、吸附量的影响因素吸附层构型、吸附量的影响因素第第5节节影响纳米粉体浆料稳定性的因素影响纳米粉体浆料稳定性的因素聚电解质的分子量、分散剂用量、温度聚电解质的分子量、分散剂用量、温度第第6节节分散剂的优化分散剂的优化河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的优化纳米粉体的优化第第7节节 粉体预处理改善可分散性粉体预处理改善可分散性河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7

45、节节v影响悬浮体分散性（固含量和流变性）的因素很影响悬浮体分散性（固含量和流变性）的因素很多，颗粒表面性质也是一个重要因素。例如：多，颗粒表面性质也是一个重要因素。例如：（a）粉体在制备和存储中，可能会引入杂质）粉体在制备和存储中，可能会引入杂质（b）Si3N4、SiC等粉体表面易于氧化等粉体表面易于氧化v上述过程将会对粉体表面性质产生影响，并最终上述过程将会对粉体表面性质产生影响，并最终影响其分散性影响其分散性v采取某种方法对颗粒表面进行预处理，可有效提采取某种方法对颗粒表面进行预处理，可有效提高其分散度高其分散度1、酸洗；、酸洗；2、煅烧；、煅烧；3、表面包覆、表面包覆河南理工大学材料学院

46、河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节1、酸洗改善纳米、酸洗改善纳米Si3N4粉体的可分散性粉体的可分散性v酸洗机制酸洗机制酸与酸与Si3N4表面的无定形表面的无定形SiO2层反应，使之溶层反应，使之溶解，以降低其氧化程度解，以降低其氧化程度v酸洗的作用酸洗的作用减少粉体表面性质的改变减少粉体表面性质的改变a、降低因粉体表面能高而出现的表面无定形、降低因粉体表面能高而出现的表面无定形氧化硅层的数量氧化硅层的数量b、制备过程中会引入、制备过程中会引入Fe3+、Al3+等金属杂离子，等金属杂离子，这些离子会与表面的这些离子会与表面的-Si-OH形成复合物形成复合物河南理工大学材料学院河南理工

47、大学材料学院第三章第三章 第第7节节粉体粉体原子比原子比N/SiO/SiSi3N4酸洗后酸洗后（pH=2）碱洗后碱洗后（pH=10）0.950.990.960.160.130.15酸碱洗对酸碱洗对Si3N4表面元素的影响表面元素的影响河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节v洗涤介质对洗涤介质对Si3N4粉体粉体电位的影响电位的影响图图.不同洗涤介质对不同洗涤介质对Si3N4粉体粉体电位的影响电位的影响河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节v酸处理对酸处理对Si3N4浆料最高固含量的影响浆料最高固含量的影响图图. 酸处理对酸处理对Si3N4浆料

48、最高固含量的影响浆料最高固含量的影响河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节2、煅烧改善纳米、煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性粉体的可分散性v此前提到，球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨此前提到，球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应v以乙醇为介质球磨以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时，表面的粉体时，表面的Si-OH可可能与乙醇反应生成酯能与乙醇反应生成酯v酯基的生成对粉体的分散性影响很大：酯基的生成对粉体的分散性影响很大：a、酯基是疏水基团、酯基是疏水基团b、屏蔽负电荷，影响分散剂的吸附、屏蔽负电荷

49、，影响分散剂的吸附v采取煅烧去除酯基，可改善其分散性采取煅烧去除酯基，可改善其分散性河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节图图. 粉体煅烧对粉体煅烧对Si3N4浆料流变性的影响，浆料流变性的影响， 600煅烧煅烧6h河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节3.表面包覆改善纳米表面包覆改善纳米Si3N4粉体可分散性粉体可分散性v受粉体表面基团影响，有些粉体对分散剂的吸附受粉体表面基团影响，有些粉体对分散剂的吸附力较弱力较弱v通过在其表面沉积其他无机化合物薄层进行表面通过在其表面沉积其他无机化合物薄层进行表面改性，以增强与分散剂的亲和力改性，以增强

50、与分散剂的亲和力河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节以以Si3N4为例：为例：v粉体表面粉体表面Si-OH基较少，基较少，NH4PAA（聚丙烯酸铵）（聚丙烯酸铵）的吸附量较低的吸附量较低v沉积一层沉积一层Al(OH)3，使粉体表面被，使粉体表面被Al-(OH)2+正电正电位置覆盖，再与位置覆盖，再与NH4PAA吸附，可极大提高分散吸附，可极大提高分散剂的吸附量，见图剂的吸附量，见图河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节图图a. 改性前后改性前后Si3N4粉体对粉体对NH4PAA的等的等温吸附曲线温吸附曲线图图b. pH=9.5时改性前后浆料

51、粘时改性前后浆料粘度随度随NH4PAA加入量的变化加入量的变化河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节v对于对于Si3N4粉体，包覆一层粉体，包覆一层Al(OH)3，不仅可改善，不仅可改善分散性，且分散性，且Al(OH)3高温分解为高温分解为Al2O3可作为可作为无压无压烧结烧结氮化硅的助烧结剂氮化硅的助烧结剂v注意：注意：包覆的方法通常会包覆的方法通常会引入杂质引入杂质，所以需选择合适的，所以需选择合适的分散剂来实现稳定分散分散剂来实现稳定分散河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第7节节v对于不同纳米粉体，需根据对于不同纳米粉体，需根据粉体性质粉体

52、性质来具体选择来具体选择合适的预处理方法。合适的预处理方法。v即粉体杂质的含量，表面基团的表征等即粉体杂质的含量，表面基团的表征等河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1、试述改善粉体分散性的预处理方法有、试述改善粉体分散性的预处理方法有哪些？并比较其分散效果。哪些？并比较其分散效果。河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散第第8节节 多组分粉体的分散多组分粉体的分散河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第8节节v对于多种粉体组成的混合浆料，其分散要困难得对于多种粉体组成的混合浆料，其分散要困难得多。主要因为不同粉体：多。主

53、要因为不同粉体：A、表面性质不同、表面性质不同B、颗粒大小不同、颗粒大小不同C、稳定存在的、稳定存在的pH值范围不同值范围不同D、液相中不仅存在同种颗粒间的相互作用，、液相中不仅存在同种颗粒间的相互作用，且存在不同种类颗粒间的相互作用且存在不同种类颗粒间的相互作用v因此，分散单组份粉体适合的方法可能不适合分因此，分散单组份粉体适合的方法可能不适合分散多组分粉体散多组分粉体河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第三章第三章 第第8节节v多组分粉体分散的原则多组分粉体分散的原则1、保证每种粉体均稳定存在的条件下，选择一个适、保证每种粉体均稳定存在的条件下，选择一个适宜的宜的pH值范围。依靠静电排

54、斥作用实现稳定分散值范围。依靠静电排斥作用实现稳定分散2、加入一种能在几种粉体表面发生较强吸附的分散、加入一种能在几种粉体表面发生较强吸附的分散剂，使每种粉体表面均带有相同电荷，并形成一剂，使每种粉体表面均带有相同电荷，并形成一定厚度的吸附层。依靠静电位阻斥力实现多组分定厚度的吸附层。依靠静电位阻斥力实现多组分体系的稳定体系的稳定3、对不同粉体进行表面改性，使其具有相近的表面、对不同粉体进行表面改性，使其具有相近的表面化学性质，实现稳定分散化学性质，实现稳定分散河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院The end！纳米材料导论纳米材料导论- -第二章第二章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院上次课小结（上次课小结（9月月28日）日）第二章第二章 分子间作用力分子间作用力 范德华力及其组成范德华力及其组成第三章第三章 纳米粉体的分散纳米粉体的分散 1 1、颗粒分散的定义、颗粒分散的定义 2 2、纳米粉体分散的物理方法、纳米粉体分散的物理方法 超声分散法、机械分散法超声分散法、机械分散法