纳米粒子的稳定性及表面活性剂的作用机制

超细粒子,特别是100nm以下的纳米尺寸的粒子,由于它们具有大的比表面积,常常团聚成二次粒子,从而减小体系的总表面能或界面能。根据能量最低原理,物质构成的系统总是稳定在能量最低的状态。总能量的减小有利于纳米粒子达到稳定状态。

当粒子之间因很强的吸附从而贴在一起时,这些硬团聚称为团聚体。很多材料中含有细粒子,例如,涂料、染料、电子浆料和磁流体。如果流体悬浮中的粒子保证可以分散不团聚,则是非常有用的。例如,如果铁磁纳米粒子不是相互孤立的,就不能获得由单磁畴行为引起的所需的磁性。在纳米陶瓷的处理中,如果初始的粉体是团聚的一且有大孔,则由这种粉体压制成的胚体可能有低的密度。当气孔的尺寸大于一定尺寸时,胚体就不能收缩而实现致密化。

细小粒子的团聚可能发生在合成阶段、干燥过程及后来的处理中。因此重要的是粒子制备和处理的每一步都使粒子稳定而不团聚。表面活性剂常被用于合成过程中,制备分散粒子或分散已合成的团聚的超细粒子。在液相介质中,利用分散剂分散超细粒子的方法己得到广泛研究。

很多技术用到活性剂。一种表面活性剂是由两种以上极性或亲媒性显著不同的官能团所构成的化合物,例如硬酯酸盐分子,它是由非极性的憎水端的长链烃基和极性相当高的亲水性原子团羧基所组成。活性剂的性质取决于表面活性部分的电荷。表面活性剂被划分为阴离子的、阳离子的、两性的和非离子的(无电荷)。在低浓度下,表面活性剂分子吸附在体系的表面和界面,从而大大地改变了界面能。超细粒子的团聚是由于范德瓦尔斯力的吸引而形成,或由使得体系的总表面能的极小化的驱动力引起的。而粒子间的排斥力是阻止粒子间团聚的力。

一般有两种方法可以提供这种力。一种是有静电排斥提供分散。这个排斥力来自于粒子周围的双电层之间的相互作用。一个不等的电荷分布总是存在于粒子表面和溶液之间,当静电排斥力克服范德华力时,一种稳定有分散出现。这种稳定方法对于稀深刻和有极性的有机介质是有效的,但对于电解液的浓度很敏感,因为浓度的变化可以导致双电层的破坏,从而导致粒子的团聚。

第二种稳定方法涉及空间力。表面活性剂分子吸附在粒子表面,他们的亲水端扩展到溶液中并与溶液相互作用。液体—-表面性剂剂链相互作用是一种混合效应。这种相互作用增加体系的自由能并产生一个能量位垒防止粒子靠近。当粒子相互接近时,延伸到液体中的表面活性剂链的运动受到限制并产生一个熵增大的效应。空间稳定可发生在不存在电的位垒的情况下。空间稳走对于在水或非水介质中是有效的,并对杂质和少量的添加剂不太敏感。空向稳定法在分散高浓度粒子时特别有效。

表面活性剂的性能由他们的效率和效能来评估。效率是产生一定量的作用,在界面过程所要求的一种表面活性剂的平衡浓度的度量,它与自由能的变化有关。效率评估的例子是用视力检查团聚的变化。效能是一种混合作用,当表面被活性剂所饱和,而不管浓度大小时可以得到的最大作用。

纳米粒子的稳定性及表面活性剂的作用机制

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