納米化學(xué)特性精品課件

1、納米化學(xué)特性第1頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二非電解質(zhì)的吸附非電解質(zhì)是指電中性的分子，它們可通過氫鍵，范德瓦耳斯力，偶極子(dipole)的弱靜電引力吸附在粒子表面。這其中主要是以氫鍵的形式吸附在其他相上。 第2頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二第3頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二電解質(zhì)(Electrolyte)吸附 在溶液中距粒子表面為x的電位可用下式表示： =0 exp(-kx) （4-1） （4-2） x時(shí)，=0，0 為粒子的表面電位。為介電常數(shù)，e為電子電荷，n0為溶液的離子濃度，Z為原子價(jià)，NA為Avogadro

2、常數(shù)，C為強(qiáng)電解質(zhì)的摩爾濃度，T為絕對(duì)溫度。k表示雙電層的擴(kuò)展程度。1/k稱為雙電層的厚度。由公式（4-2）1/k反比于Z和C1/2，這表明高價(jià)離子，高電解質(zhì)濃度下，雙電層很薄。 第4頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二納米粒子的表面電性當(dāng)pH值比較小時(shí)（呈酸性），粒子表面形成M-OH2(M代表金屬離子，如Si, Al, Ti等)，導(dǎo)致粒子表面帶正電。當(dāng)pH值高時(shí)（呈堿性），粒子表面形成M-O鍵，使粒子表面帶負(fù)電。如果pH值處于中間值，則納米氧化物表面形成M-OH鍵，這時(shí)粒子呈電中性。 第5頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二納米微粒的分散和團(tuán)聚分散 (

3、Dispersion) 納米微粒表面的活性使它們很容易團(tuán)聚在一起從而形成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團(tuán)聚體(agglomerate)。解決辦法：形成膠體或超聲分散 (限于軟團(tuán)聚)防止團(tuán)聚的發(fā)生：加入反絮凝劑(Anti-flocculating agent)形成雙電層加表（界）面活性劑(surfactant)包裹微粒 第6頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二第7頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二第8頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二第9頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二油酸包裹防止納米粒子團(tuán)聚Rosenswe

4、ig從理論上計(jì)算了磁性粒子外包裹的油酸層所引起的排斥能，假設(shè)油酸吸附的強(qiáng)磁性微粒之間的關(guān)系如圖4-3所示，那么排斥能量V可表示成 （4-3）其中N為單位體積的吸附分子數(shù)，為吸附層的厚度，h為顆粒間距函數(shù)（= ），當(dāng)粒子接觸時(shí)；h=0，隨粒子分離距離加大，h增大。 第10頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二吸附和勢(shì)能示意圖第11頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二微粒的團(tuán)聚(Agglomeration) 半徑為r的兩個(gè)微粒間的范德瓦爾斯吸引力引起的相互作用勢(shì)能EV可表示如下： （4-4）式中，l為微粒間距離，r為微粒半徑，A為常數(shù)。雙電層間的相互作用能E0

5、近似的表示為： （4-5）式中，為溶液的介電常數(shù)，0為粒子的表面電位，k表示為式（4-2）。兩微粒間總的相互作用能E為 （4-6）式中，E, EV, E0與粒子間距l(xiāng)之間的關(guān)系如圖4-5。 第12頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二粒子間的相互作用能第13頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二微粒的團(tuán)聚Emax=0時(shí)微粒的濃度稱為臨界團(tuán)聚濃度。當(dāng)濃度大于臨界團(tuán)聚濃度時(shí)，就發(fā)生團(tuán)聚。由式（4-6）得Emax=0, 即有(dE/dl)E=Emax=0，將式（4-2）中k的表達(dá)式代入式（4-6），由此求得臨界團(tuán)聚濃度為 （4-7）式中，Z為原子價(jià)。此關(guān)系式稱為S

6、chulze-Hardy定律，其精確表示為 （4-8）第14頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二4.3納米微粒的表面修飾(Surface modification)通過對(duì)納米微粒的表面修飾，可以達(dá)到以下四個(gè)方面的目的：（1） 改善或改變納米粒子的分散性；（2） 提高微粒表面活性；（3） 使微粒表面產(chǎn)生新的物理、化學(xué)、機(jī)械性能及其它新功能；（4） 改善納米粒子與其它物質(zhì)之間的相容性。第15頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二1 納米微粒表面物理修飾1一類通過范德瓦爾斯力等將異質(zhì)材料吸附在納米微粒的表面，可以防止納米微粒的團(tuán)聚。通常采用表面活性劑對(duì)無機(jī)納米微

7、粒表面的修飾就屬于這類方法。 親水性(hydrophilic)和親油性(hydrophobic)2另一類表面物理修飾法，即表面沉積法，它是將一種物質(zhì)沉積到納米微粒表面，形成與顆粒表面無化學(xué)結(jié)合的異質(zhì)包敷層。 第16頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二2 表面化學(xué)修飾 通過納米微粒表面與處理劑之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改變納米微粒表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，達(dá)到表面改性的目的稱為納米微粒的表面化學(xué)修飾。 1偶聯(lián)劑法2酯化法3表面接枝改性法第17頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二（1） 偶聯(lián)劑法 納米粒子表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理后可以與有機(jī)物產(chǎn)生很好的相容性。在眾多偶聯(lián)劑中硅烷偶聯(lián)劑

8、最具有代表性，硅烷偶聯(lián)劑可用下面的結(jié)構(gòu)式表示：YRSi(OR)3Y：有機(jī)官能團(tuán)SiOR：硅氧烷基，可以與無機(jī)物表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。 第18頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二表4-1 硅偶聯(lián)劑與無機(jī)納米粒子表面化學(xué)結(jié)合程度的評(píng)價(jià) 強(qiáng)（結(jié)合程度）弱玻璃、二氧化硅、氧化鋁等 滑石、黏土、云母、高嶺土、硅灰石（硅酸鈣）、氫氧化鋁、各種金屬等 鐵氧體、氧化鈦、氫氧化鎂等 碳酸鈣、碳黑、石墨、氮化硼等 第19頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二（2）酯化反應(yīng)法 金屬氧化物與醇的反應(yīng)稱為酯化反應(yīng)。目的：親水疏油親油疏水 酯化反應(yīng)的基本過程，表面帶有羥基的氧化硅粒子與高

9、沸點(diǎn)醇反應(yīng)方程式如下：Si-OH + H-O-R Si-O-R +H2O在反應(yīng)過程中硅氧鍵開裂，Si與烴氧基(RO)結(jié)合，完成了納米SiO2的表面酯化反應(yīng)。第20頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二（3）表面接枝改性法 通過化學(xué)反應(yīng)將高分子的鏈接到無機(jī)納米粒子表面上的方法稱為表面接枝法。它分為三種類型：（1）聚合與表面接枝同步進(jìn)行法（2）顆粒表面聚合生長(zhǎng)接枝法（3）偶連接枝法 第21頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二1 聚合與表面接枝同步進(jìn)行法 這種接枝的條件是無機(jī)納米粒子表面有較強(qiáng)的自由基捕捉能力。單體在引發(fā)劑的作用下完成聚合的同時(shí)，立即被無機(jī)納米粒

10、子表面強(qiáng)自由基捕獲，使高分子的鏈與無機(jī)納米粒子表面化學(xué)連接，實(shí)現(xiàn)了顆粒表面的接枝。這種邊聚合邊接枝的修飾方法對(duì)碳黑(橡膠添加劑)等納米粒子特別有效。 第22頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二2 顆粒表面聚合生長(zhǎng)接枝法 這種方法是單體在引發(fā)劑作用下直接從無機(jī)粒子表面開始聚合，誘發(fā)生長(zhǎng)，完成了顆粒表面的高分子包敷，這種方法的特點(diǎn)是接枝效率較高。 第23頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二3 偶連接枝法 這種方法是通過納米粒子表面官能團(tuán)與高分子的直接反應(yīng)實(shí)現(xiàn)接枝，接枝反應(yīng)可由下式來描述：顆粒-OH + OCNP 顆粒-OCONHP,顆粒-NCO + HOP 顆粒-NHCOOP.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是接枝的量可以進(jìn)行控制，效率高。 第24頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)59分，星期二表面