纳米粉体颗粒悬浮液分散问题

制备出单相纳米粉料后，具体应用时还要考虑纳米颗粒的分散。例如：在制备纳米颗粒复合材料过程中为了得到成分均匀的混合粉料，首先要制备良好分散的纳米粉体悬浮液，同时注意不同悬浮液混合时分散条件的相互影响。由于纳米颗粒的尺寸很小，颗粒间普遍存在着较强的范德华力和库仑力，使颗粒极易团聚，而且颗粒粒径愈小，团聚的倾向就愈严重。这两种作用力导致的团聚为软团聚，可以通过一些化学的作用或机械振动的方式来消除。下面我们来分析一下纳米颗粒悬浮液分散的具体机理、过程和方法。

一、液体介质中纳米陶瓷颗粒间的作用力（团聚产生的根源）

颗粒在液体介质中的相互作用力非常复杂，除了范德华力和库仑力之外，还有溶剂化力、毛细管力、憎水力、水动力等，它们与液体介质直接有关。颗粒在液体介质中的状态还必须考虑颗粒表面的带电情况。所有的颗粒表面在液体介质中都是带有电荷的。其带电原因有：离子浓度差、颗粒表面基团的直接电离、溶液中同类离子间的替换、颗粒表面吸附特殊的离子以及颗粒晶体的各向异性等等。而颗粒在液体介质中的表面带电情况，将直接影响颗粒在液体介质中的分散行为。

二、纳米颗粒在液体介质中的分散过程

粉体团聚体在液体介质中的分散一般分为三个过程：润湿过程、颗粒群的解集过程、稳定的分散过程。

1、润湿过程

如果粉末是憎液性的就不易分散，而亲液者就容易分散。对憎液性的粉末需使用分散剂以润湿颗粒的表面使它成为亲液者。陶瓷粉料多为瘠性料，需用一定的表面活性剂润湿其颗粒的表面，以便易于分散。对于不同的固体颗粒，选用合适的液体介质使固液亲和性越大越好。陶瓷粉料是极性的所以容易分散在介电常数较大的液体中。而由于水的介电常数比较大，因此陶瓷粉料通常用水作为介质。对给定的粉末和已选用的液体介质，表面活性剂加入到液体中会借固液界面的吸附而改变。加入的表面活性剂的浓度有一最佳值。当超过了这一浓度时，会出现过饱和吸附固体表面的亲水性反而降低，不利于润湿和分散。显然当表面活性剂浓度不足时也不能良好的润湿颗粒表面，不利于分散。在实际的颗粒分散中，选择表面活性剂几乎是随意的，但不能采用能产生泡沫的分散剂，因为泡沫能将细颗粒从系统中分离出来。

2、颗粒群的解集过程

团聚体中的众多颗粒，其表面一经液体的润湿往往会自行分离。当然，实际操作中常常需要超声波的帮助。不同超声功率和超声时间对颗粒的分散效果影响较为显著，尤其对超细粉料而言影响更大。

3、稳定的分散过程

即使液体介质对固体良好的润湿，并辅以机械力或超声处理制成了分散颗粒的悬浮液，但是这种两相分散体系是热力学不稳定体系，颗粒相遇时又可能产生团聚。因此，在体系中往往需要存在或添加能降低彼此不稳定的物质即分散剂，为颗粒在动力学上提供位垒，从而抵抗颗粒的聚集，使分散状态保持相对稳定。选择表面活性剂时，除了考虑其颗粒的润湿特性外，还需考虑颗粒表面的带电情况和表面活性剂的类型。按照是否电离可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子型表面活性剂。

三、悬浮液的分散稳定机制

根据悬浮液中粒子间排斥力产生的机理，可将悬浮液的分散稳定机制分为以下三种：静电稳定机制、空间位阻稳定机制和联合稳定机制，即电空间稳定机制。

1、静电稳定机制

由胶体化学中双电层稳定理论DLVO 理论可知，对球形颗粒而言，两个颗粒间的位能曲线上有一个位垒、两个位谷：第一极小点和第二极小点。若一对颗粒因布朗运动或不等速沉降而接近时的相对动能大于位垒，则这两个颗粒接近到第一极小点，从而颗粒聚沉这个过程是不可逆的。相反，这两个颗粒不能接近到位垒所对应的最近距离反而被位垒弹开，在第二极小点形成的絮凝是不稳定的可逆的。表面电势越大双电层厚度就越大，这将使位垒越高分散体系的稳定性就越大。双电层的厚度或颗粒表面的Zeta电位与液体介质的价数和浓度有密切关系。

2、空间位阻稳定作用

高分子化合物加入到溶液中除了可以降低颗粒在液体介质中的σsl和Hamaker常数使悬浮液分散稳定之外,还可以使其高分子长链的一端紧密的吸附于颗粒的表面,另一端尽可能地伸向溶液中,形成空间位阻稳定作用。

3、联合稳定机制

联合稳定也叫电空间稳定，其静电部分来源于粒子表面的静电荷或和与定位聚合物联系的电荷，所用高聚物叫聚电解质。因为既有双电层稳定机制又有空间位阻稳定机制此种稳定效果会更好。这种联合机制的势能曲线没有第一极小值，双电层在较长距离上提供一较高的位垒，从而在小范围内位阻稳定阻止粒子相互接触。常用的聚电解质有有机单宁酸盐和聚碳酸、腐植酸，还有它们的一些铵盐如聚丙烯酸和聚丙烯酸铵。