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納米粉體也叫納米顆粒，一般指尺寸在1-100nm之間的超細粒子。納米粉體具有的體積效應、表面效應、量子尺寸效應、介電限域效應等各種效應，使得它表現出強吸光能力、高活性、高催化性、高選擇性、高擴散性、高磁化率和矯頑力等特殊理化性能[1]；使它具備獨特的力學(xué)、光、熱、電、磁、吸附、氣敏等性質(zhì)[2]。在傳統材料中加入納米粉體將大大改善其性能或帶來(lái)意想不到的性質(zhì)。目前已用于納米固體的壓制、納米涂層、環(huán)境保護以及納米粒子光催化上。納米材料科學(xué)及工業(yè)應用已成為國內外跨新世紀研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，并開(kāi)拓發(fā)展成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在電子、化工、機械、生物醫學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域內，具有日益廣泛發(fā)展的應用前景。
隨著(zhù)納米科技的發(fā)展，制備納米粉體的方法越來(lái)越多。在制備納米粉體過(guò)程中，存在的最大問(wèn)題就是納米顆粒的團聚，這也是當今納米技術(shù)領(lǐng)域內的一個(gè)普遍關(guān)心、亟待解決的一個(gè)難題。
控制納米顆粒團聚已成為制備納米顆粒的一項關(guān)鍵技術(shù)，所以很有必要對納米顆粒團聚現象進(jìn)行深入研究。
2團聚分類(lèi)
所謂納米粉體的團聚是指原生的納米粉體顆粒在制備、分離、處理及存放過(guò)程中相互連接、由多個(gè)顆粒形成較大的顆粒團簇的現象。由于團聚顆粒粒度小，表面原子比例大，比表面積大，表面能大，處于能量不穩定狀態(tài)，因而細微的顆粒都趨向于聚集在一起，很容易團聚，形成團聚狀的二次顆粒，乃至三次顆粒，使粒子粒徑變大，在每個(gè)顆粒內部有細小孔隙。
納米顆粒的團聚一般分為兩種：軟團聚和硬團聚。對于軟團聚機理，人們的看法比較一致，即，軟團聚是由納米粉體表面分子或原子之間的范德華力和靜電引力所致，由于作用力較弱，可以通過(guò)一些化學(xué)作用或施加機械能的方式來(lái)消除。對于硬團聚，不同化學(xué)組成不同制備方法有不同的團聚機理，無(wú)法用統一的理論來(lái)解釋。因此需要采取一些特殊的方法來(lái)對其進(jìn)行控制。
3納米顆粒團聚的形成機理
顆粒細化到納米級后，其表面積累了大量的正、負電荷，納米顆粒的形狀極不規則，這樣造成了電荷的聚集。納米顆粒表面原子比例隨著(zhù)納米粒徑的降低而迅速增加，當降至1nm時(shí)，表面原子比例高達90%，原子幾乎全部集中到顆粒表面，處于高度活化狀態(tài)，導致表面原子配位數不足和高表面能[8]。納米顆粒具有很高的化學(xué)活性，表現出強烈的表面效應，很容易發(fā)生聚集而達到穩定狀態(tài)，從而團聚發(fā)生[9]。
3.1納米顆粒在液體介質(zhì)中的團聚機理
液體介質(zhì)中超細顆粒團聚的主要原因是吸附和排斥共同作用的結果[10]。吸附作用有以下幾個(gè)方面[11]：量子隧道效應、電荷轉移和界面原子的相互耦合產(chǎn)生的吸附；超細顆粒分子力、氫鍵、靜電作用產(chǎn)生的吸附；超細顆粒間的比較面積大，極易吸附氣體介質(zhì)或與其作用產(chǎn)生吸附；超細粒子具有極高的表面能和較大的接觸面，使晶粒生長(cháng)的速度加快，從而粒子間易發(fā)生吸附。在存在吸附作用的同時(shí)，同樣有排斥作用，主要有粒子表面產(chǎn)生溶劑化膜作用、雙電層靜電作用、聚合物吸附層的空間保護作用。這幾種作用的總和使顆粒趨于分散。
如果吸附作用大于排斥作用，顆粒團聚；反之，顆粒則分散。關(guān)于在液體介質(zhì)中顆粒團聚的機理目前還沒(méi)有一個(gè)統一的說(shuō)法。顏恒維等在DLVO理論[12]上做出了進(jìn)一步研究，在考慮到范德華能和雙電層作用能的同時(shí)，也把顆粒間作用與環(huán)境介質(zhì)性質(zhì)、顆粒表面性質(zhì)以及顆粒表面吸附層的成分、覆蓋率、吸附強度等因素一并考慮在內，其總勢能可以用下式表示：
VT=VA+VR+VS+VST
式中：
VT---總作用能；
VA---范德華作用能；
VR---雙電層作用能；
VS---溶劑化膜作用能；
VST---空間排斥作用能。
3.2干燥過(guò)程中團聚顆粒團聚的機理
干燥過(guò)程可看作固液分離過(guò)程，目前有代表性的理論有：晶橋理論，毛細管力吸附理論，氫鍵作用理論和化學(xué)鍵作用理論[13]。
實(shí)際上，單一的理論很難解釋團聚形成的機理，必須綜合目前的理論，具體實(shí)驗具體分析。在制各超細氧化鋁的實(shí)驗[14]中已經(jīng)表明：粉體的一次顆粒團聚成二次顆形成硬團聚的機理在于：在制備粉體的過(guò)程中，濕凝膠的脫水干燥，煅燒過(guò)程是引起粉體中硬團聚形成的主要原因。膠體進(jìn)入干燥階段，不同的干燥方法也會(huì )產(chǎn)生不同的團聚效果。
納米顆粒的團聚與分散取決于其形態(tài)和表面結構等，而納米顆粒的形態(tài)和表面結構又與其內部結構、雜質(zhì)、表面吸附和化學(xué)反應、制備工藝、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素有關(guān)，因而導致了納米粉體團聚與分散機制的復雜性和多樣性。
4納米顆粒團聚分散方法
納米顆粒團聚分散就是采用一定的手段獲得粒子細小、粒徑分布窄、分散性好的顆粒。目前就團聚的分散有多種分類(lèi)。常用的分散方法有物理的和化學(xué)的方法，制備、儲運、使用過(guò)程中納米顆粒分散方法等分類(lèi)。
4.1制備過(guò)程中納米粉體團聚的解決方法
4.1.1表面改性
采用物理和化學(xué)方法對納米顆粒進(jìn)行表面處理，有目的地改變其表面物理化學(xué)性質(zhì)，稱(chēng)為表面改性。其目的是變相降低納米粉體顆粒的表面能，提高納米粉體的穩定性。通過(guò)改性可以大大減少納米顆粒之間的團聚[15]~[16]。
目前，納米粉體表面改性的方法很多，主要有包覆處理改性、沉淀反應改性、表面化學(xué)改性、機械化學(xué)改性、高能處理改性、膠囊化改性、微乳化改性等等。
4.1.2控制pH值
根據制備納米顆粒的不同，控制不同的pH值[17]~[19]，例如：在ZrO2超細粉制備過(guò)程中pH值控制在9-11為宜[20]；并且對溶液進(jìn)行強力攪拌可提高析出凝膠的均勻性，從而減少團聚的產(chǎn)生。
4.1.3顆粒表面形成雙電層
液體中的顆粒表面因離子的選擇性溶解、選擇性吸附或同晶置換而帶電，反號離子通過(guò)靜電吸引作用在顆粒周?chē)囊后w中擴散分布形成雙電層[21]。通過(guò)雙電層之間庫倫排斥作用使納米粒子之間發(fā)生團聚的引力大大降低，從而有效地防止納米顆粒的團聚，達到納米顆粒分散的目的。
4.1.4物理法分散
機械力分散通常被認為是最簡(jiǎn)單的物理分散方法，它是借助外界剪切力或撞擊力能使納米粒子在介質(zhì)中分散的一中方法。在機械攪拌下納米粒子的特殊表面結構容易產(chǎn)生化學(xué)反應，形成有機化合物枝鏈或保護層，使得納米粒子更易分散。
超聲波分散是降低納米粒子團聚的有效方法。主要是基于超聲波的特殊分散性能。超聲波是頻率范圍在20~106kHz的機械波,其波速一般約為1500m/s，波長(cháng)為10~0.01cm。顯然，超聲波的波長(cháng)遠大于分子尺寸，說(shuō)明超聲波本身不能直接對分子產(chǎn)生作用，而是通過(guò)對分子周?chē)h(huán)境的物理作用影響分子的，也即是利用超聲空化作用所產(chǎn)生的沖擊波和微射流所具有的粉粹作用，達到分散微粒的目的。該技術(shù)目前普遍用于液相制備納米粉體的方法中，尤其是溶膠-凝膠法。
4.1.5采用適當洗滌方法
在沉淀物中的水是引起納米粒團聚的因素之一，因此采用適當的洗滌方法將沉淀物中的水洗去是防止納米粒子團聚的主要方法。首選用的物質(zhì)是低沸點(diǎn)的有機物。
4.1.6采用適當干燥、煅燒方式
實(shí)驗證明，在保證沉淀物干燥完全、煅燒分解完全的基礎上，溫度越低、時(shí)間越短越好。目前常采用的干燥方式有以下幾種方式：閃蒸、冷凍干燥、超臨界干燥、噴霧干燥、真空干燥等方式。目前最先進(jìn)的煅燒方式是懸態(tài)鍛燒,該方法可使粉體煅燒瞬間完成。
4.2儲運過(guò)程中納米粉體團聚的解決方法
4.2.1鈍化處理
所謂的鈍化處理，就是對剛制備出來(lái)的納米粉體在接觸大氣之前先進(jìn)行表面慢氧化處理，經(jīng)過(guò)這樣處理的納米粉體表面可形成一層氧化膜，顆粒的穩定性大大提高，可以很方便在空氣中儲運和應用。
4.2.2防聚結處理
通常是將采用少量的添加劑摻雜在納米粉體中。這樣可在納米粉體表面產(chǎn)生強吸附或化學(xué)親和作用，又在阻礙納米粒子對水的吸附，使納米粒子表面不能形成完整的水膜，顆粒間的鹽橋消失，從而抑制納米粒子的聚結。
常用防聚結處理的添加劑有：抗靜電劑、潤滑劑、防潮劑、表面活性劑、偶聯(lián)劑等。
4.2.3溶劑儲存
使用各種溶劑對納米粉體進(jìn)行保護是一種有效的儲運方法。根據客戶(hù)不同的使用要求可選用不同的化學(xué)溶劑（如水、苯、二甲苯、丙酮或醇類(lèi)等）配成不同濃度的穩定的納米漿液，以此來(lái)保持顆粒間良好的分散性和均勻性，延緩或避免顆粒之間的團聚。
4.2.4加強儲運管理
在納米粉體的儲運過(guò)程中，要嚴格按照其運輸管理等規章制度來(lái)執行。納米粉體應儲存在避光、干燥、陰涼的地方，堆放時(shí)要做到包裝之間沒(méi)有擠壓力，而且納米粉體堆放時(shí)間不易過(guò)長(cháng)，最好是按照訂單生產(chǎn)，運輸過(guò)程中要防止雨淋、受潮，在整個(gè)儲運過(guò)程中應有專(zhuān)人專(zhuān)管。
4.3使用過(guò)程中納米粉體團聚的解決方法
使用過(guò)程采用最好方法是直接成材。所謂直接成材就是將新制備出來(lái)的納米粉體不經(jīng)取出，就制成所希望的形狀。這樣可解決許多儲運技術(shù)方面的難題，而且可以開(kāi)拓適合于納米粉體特長(cháng)的應用領(lǐng)域。
5總結展望
目前的材料發(fā)展來(lái)看，納米粉體的團聚問(wèn)題嚴重地限制了納米材料的應用，納米顆粒的分散是材料發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，只有處理好這個(gè)問(wèn)題，納米粉體材料才能發(fā)揮其巨大的功能。
盡管在納米材料的制備方面還存在著(zhù)這樣或那樣的問(wèn)題，但我們相信,隨著(zhù)納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日益成熟，一定能弄清納米顆粒團聚的機理，并從根本上解決納米粉體的團聚問(wèn)題，使其納米粉體的功能在應用中得到更好的發(fā)揮。