奈米粉體的分散及表面改性

1、奈米粉體的分散及表面改性Nano Powder and Surface Modification,ptCh. 4 奈米粉體表面化學及其在液相介質(zhì)中的性質(zhì)表征,Outline 1,4.1表面元素分析 4.1.1X射線光電子能譜儀 4.1.2歐杰能譜儀 4.1.3二次離子質(zhì)譜儀 4.1.4傅立葉變換紅外光譜儀 4.2液相中粉體粒度分布的測定 4.2.1分析顆粒尺寸的基本原則 4.2.2顆粒的平均粒徑及值 4.2.3不同的測量方法得到不同的粒徑平均值 4.2.4平均粒徑、中位粒徑和多數(shù)粒徑 4.2.5粒徑的測定方法,Outline 2,4.3表面電荷的測定 4.3.1微電泳法測定電位 4.3.2電聲

2、法測定電位 4.3.3電位的影響因素 4.3.4電位的應用 4.4粉體在液相中相互作用力測定 4.4.1表面作用力儀 4.4.2原子力顯微鏡 4.5分形理論研究奈米粉體分散 4.5.1分形理論簡介 4.5.2分形理論在膠體化學中的應用 4.5.3計算團聚體分維值的方法,4.1 表面元素分析,表面元素分析,研究原先入射粒子的性質(zhì) 彈性電子的繞射譜 非彈性電子的能量損失譜 低能離子表面散射譜 研究新生成粒子的性質(zhì) 測量歐杰電子能量譜 光電子能量譜 二次離子質(zhì)量譜 輻射光子能譜 能量譜(能量分析) 將不同能量帶電粒子所組成的粒子束，按能量的大小區(qū)分，測其強度與對應的能量的關系曲線,X射線激發(fā)光電子示

3、意,XPS測定的金屬Ti和氧化物TiO中的Ti2p峰：由上至下金屬Ti中的Ti2p (454eV)，部分還原態(tài)的TiO (110)中的Ti2p峰，TiO中的Ti2p峰 (459eV),Al2O3/Al的TEM照片和顆粒尺寸分布情況,對應圖4-3樣品的Al2p光電子譜,Al+3含量隨氧化鋁覆蓋層厚度及金屬鋁核厚度的變化,樣品在空氣中保存數(shù)周后由Al 2p的光電子信號得到Al百分含量的實驗值與計算值,電洞被電子填充的Auger過程和X射線過程,歐杰電子,自由原子 能階分立 價電子分別填充在不同的能階上 化學位移 元素在固體狀態(tài)時的能階位置，與自由原子狀態(tài)時相比有一些移動 影響歐杰電子譜線寬度和能量

4、位置 歐杰電子的體衰減效應 固態(tài)與自由電子不同，它有一定的體密度和表面,歐杰電子與歐杰譜線,對應于圖4-9的AES半定量分析數(shù)據(jù),奈米氧化鋯吸附NHPAA后的AES譜 (a),奈米氧化鋯吸附NHPAA后的AES譜 (b),二次離子質(zhì)譜示意,富含18O的TiO2 (110)表面在吸附蟻酸前后的SSIMS譜,FTIR表征表面特征有兩種互為補充的方法,1. 利用FTIR確定吸附種類的化學組成 2. 觀察可吸附的探針分子吸附后的紅外光譜 吸附分子的振動頻率 依賴于表面原子的性質(zhì) 且與表面內(nèi)部原子的配位數(shù)有關,Michelson干涉器的原理示意圖,表面類型,劉易斯酸或電子受體 路易斯堿或電子供體 布朗斯

5、特酸或質(zhì)子供體 布朗斯特堿或質(zhì)子受體,利用FTIR奈米粉體表面基團種類的流程圖,表面傅立葉變換光譜提供訊息,表面種類的組成和結構 吸附分子與表面間的鍵合性質(zhì) 活性表面中心的不同類型,SiCN粉體的紅外譜圖,SiCN粉體上H/D同位素交換,SiCN粉體吸附甲醇,4.2 液相中粉體粒度分布的測定,長柱狀粉體所對應的等體積球形顆粒的直徑,長柱狀粉體所對應的等體積球形顆粒的直徑,幾種常見的等球體直徑,顆粒尺寸的正態(tài)分布模式,顆粒尺寸的雙峰分布模式,動態(tài)雷射散射法優(yōu)點,無需標準樣品進行校正 寬的動態(tài)范圍 靈活性 干粉 懸浮體和微乳 可以對整個樣品進行測定 非破壞性測定法，樣品可以再回收、利用 測定速度快

6、 測定結果重現(xiàn)性好 高分辨率,4.3 表面電荷的測定,雙電層結構示意,顯微鏡觀測顆粒的微電泳移動缺點,耗時 緩慢 繁瑣 只有幾個顆粒被觀測，缺乏統(tǒng)計學的意義 限于超顯微鏡的觀測范圍 只能用來觀測顆粒尺寸0.5m的顆粒 觀測準確性受觀測者的影響,超顯微鏡觀測顆粒電泳移動的示意,電位儀工作原理示意,電位儀的優(yōu)點 (與傳統(tǒng)的顯微鏡相較),顯微鏡法測定顆粒在電場中的移動速度，只能觀測1030個左右的顆粒 電位儀可以觀察到成千上萬顆粒的移動 測定效率高，測定速度快 可以對不穩(wěn)定系統(tǒng)加以研究 即使顆粒的泳動速度很低也能夠準確測量 如在顆粒等電點附近,聲波粒度儀工作原理示意圖,ESA測定的氧化鋁粉體顆粒尺寸

7、和頻率的變化關系,pH值=9時SiN漿料的固相含量對ESA測定值的影響,改變介質(zhì)性質(zhì)途徑,改變?nèi)芤旱膒H值 改變?nèi)芤旱碾x子強度 產(chǎn)生特性吸附 吸附可溶性金屬離子 添加表面活性劑,一些常見陶瓷粉體的等電點,可溶性金屬陽離子及其水合物的特性吸附,具電荷反轉特點 第一個電荷反轉CR1 對應于金屬氧化物本身的等電點 因為H和OH是電勢決定離子 第三個電荷反轉CR3 反映金屬水合物覆蓋在被吸附的氧化物表面上 CR2 介于被吸附氧化物和水合氫氧化物的等電點之間 顯示特性吸附和表面沉淀的情況,SiO2在0.510mol/LCo(NO3)2條件下的電泳遷移率隨pH值的變化情況 (惰性電解質(zhì)為10mol/L H

8、NO3-KOH),特性吸附陽離子時的電位曲線變化情況,電解質(zhì)濃度對氧化硅電位的影響,電位的應用,礦物的泡沫浮選 陶瓷制品 廢水處理 造紙,4.4 粉體在液相中相互作用力測定,絮凝劑的添加量與表面電位和濁度的關系,造紙中的合成尺寸保留值與電位的關系,表面作用力儀測定原理示意圖,按圖放大,云母表面間的作用力隨距離的變化,云母表面間的作用力隨距離的變化,原子力顯微鏡測定原理示意,黏附氧化鋁球的V形懸臂探針,pH8.3時不同濃度的NaCl介質(zhì)中ZrO探針與ZrO基片間的作用力,pH9.5時不同濃度的NaCl介質(zhì)中添加300mg/kg PAA后ZrO表面間的作用力隨距離的變化,pH=5.5, 2000mg/kgPAA (分子量10000, I=1.910-2mol/L),pH5.5，PAA吸附在SiN上及pH8.3，PAA吸附在ZrO上的構象示意圖（pH-pH1，代表時間）,丙烯酸銨和丙烯酸甲酯的共聚物,氧化鋁探針與表面的作用力曲線,4.5 分形理論研究奈米粉體分散,分形理論簡介,分形 目前還沒有嚴格的數(shù)學定義 只能給出描述性的定義 沒有特征長度 特征長度 所考慮的集合對象所含的各種長度的代表者 例如一個球，可用它的半徑作為它的特征長度 具有一定意義下自相似特性的圖形和結構的總稱,計算團聚體分維值方法,改進盒子維法 靜態(tài)雷射散射法 流變學法,未加分散劑時Al2O