纳米粉体是什么？

纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。

纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。纳米粉体材料是纳米材料中最基本的一类。纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。

金属纳米粉是什么？

将一些常见的金属材料，制成纳米级的金属纳米粉体，这些金属粉拥有与普通材料不同的能力。现在常见的金属纳米粉有：纳米锌粉、纳米铜粉、纳米银粉、纳米钴粉等等，随着科技的发展，逐渐将这些金属纳米粉应用到许多领域之中，比如将超细金属粉末以适当的方式加入润滑油，可大幅提升润滑油的最大无卡咬负荷。

金属金属纳米粉在催化剂领域的应用非常广泛，由于纳米金属粉末的小尺寸性和表面性，纳米金属粉被当作催化剂，使得其在冶金化工行业的使用更是广泛。一般的催化剂都要体积小作用大，金属纳米粉末就很好地符合这样的要求，体积小：纳米级；作用大：比一般催化剂比表面积大，与反应物更充分地接触，使反应更快地进行。

纳米粉体三大效应

（1）.小尺寸效应

随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。

（2）.表面与界面效应

纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。

（3）.量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。

纳米粉体形态分析

在粉体材料的世界中，形态多样性为我们带来了丰富的选择和无限可能。不同形态的粉体材料，如球形、管状、片状和晶须状/线状等，展现出各自独特的性能优势。通过选择合适的粉体材料形态，我们可以更好地满足产品设计和性能要求，推动科技进步和工业发展。

1、球形粉体材料-纳米球粉，如纳米金属粉和部分金属氧化物，具有高比表面积和均匀的颗粒尺寸分布。这使得它们在催化、储能和传感器等领域具有突出的表现。球形粉体的良好流动性和均匀性，使得其处理和加工更为便捷，有助于提高产品的生产效率。

2、管状粉体材料-纳米管，如碳纳米管和二氧化钛纳米管，拥有独特的空心结构和高比表面积。这使得它们在能源存储、传输和光电器件等方面具有重要应用。管状结构提供了更强的载流子传输通道和更大的反应活性表面积，从而提高了材料的电化学性能和光吸收能力。

3、片状粉体材料-纳米片，如片状银粉、片状铜粉、石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼，呈现出良好的导电性和热导性。这使得它们在电子器件、导电涂层和热界面材料等方面得到广泛应用。片状结构的高度二维特性具有优异的电子和热传导性能，为高性能材料和器件的制备提供了强大支撑。

4、晶须状/线状粉体材料-纳米线，如碳化硅晶须、纳米银线、纳米铜线、纳米硅线和氧化锌纳米线等，具有高拉伸强度和良好的导电性能。这使得它们在柔性电子、传感器和增强材料等领域具备巨大潜力。晶须状/线状结构的高界面活性和可塑性，使得材料能够适应各种复杂的应用需求。

5、不规则形貌的粉体材料，如硅粉，硼粉，等等。

纳米粉体团聚现象

目前市场上很多纳米产品表征出来既含纳米级颗粒又含微米级颗粒，不能实现真正的纳米标准（1-100nm），主要原因就是粉体团聚现象严重，纳米级颗粒又团聚成了大颗粒。所谓纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象，一般分为软团聚和硬团聚两种。

对于纳米粉体采取适当的手段阻止原生粒子再团聚以使团聚体彻底分散，才能获得良好的分散效果，因此，在分散过程中必须使每一个新形成的粒子表面迅速被介质润湿，即被分散介质所隔离，才能防止重新聚集，并有足够高的能量以防止粒子间相互膨胀接触，重新团聚。

纳米粉体的团聚与分散性取决于其形态和表面结构等。而纳米粉体的形态和表面结构又与其内部结构、杂质、表面吸附和化学反应、制备工艺、环境状态等诸因素有关，因而导致了纳米粉体团聚与分散机制的复杂性和多样性。

如何解决纳米粉体的团聚问题？

解决纳米粉体的团聚问题，需要采用一定的手段将纳米粉体均匀分散开。纳米粉体的分散方法主要有超声波分散、机械力分散和化学法分散。目前应用最为广泛的是化学分散，即表面改性。

表面改性是指通过采用表面添加剂的方法，使粒子表面发生化学反应和物理作用，从而改变粒子表面状态，如表面原子层结构和官能团、表面疏水性、电性、化学吸附和反应特性等。通过表面改性，可提高粉体的分散性、耐久性、耐候性，提高表面活性，从而使粒子表面产生新的物理、化学、光学特性，适用不同的应用要求，拓宽其应用领域，并显著提高材料的附加值。

纳米粉体分散稳定理论

纳米粉体分散在介质中，由于颗粒的尺寸在纳米级，所形成的悬浮液属于胶体的范畴。一般情况下，由于纳米粉体的表面能非常大，胶体悬浮液是热力学不稳定的，但是，如果有一个能垒的存在，则胶体可以存在动力学稳定性。这种稳定作用来源于双电层斥力和静态相互作用力。假如相互作用力足够大，可以提供能垒，将可以防止或破坏纳米颗粒的团聚。所有纳米粉体在介质中的分散问题均与此有关。

分散体系的稳定性是指某种性质(例如分散相浓度、颗粒大小、体系黏度和密度等)有一定程度的不变性。由于纳米粒子的粒径近似于胶体粒子，所以可以借助胶体稳定理论来探讨纳米粒子在液体介质中的分散性。

综上所述，胶体的稳定或聚沉取决于胶粒之间的排斥力和吸引力。排斥力使颗粒之间分散，增加微粒在介质中的稳定性，而吸引力则使微粒团聚。所以，根据这两种力产生的原因及其相互作用，纳米粉体在介质中的分散性可以用胶体理论加以讨论。胶体分散有三大稳定理论：DLV0理论、空间位阻稳定理论、空缺稳定理论，下面分别加以介绍。

一、DLV0理论

DLV0理论是研究带电胶粒稳定性的理论。它是l941年由前苏联的德尔加昆和朗道(Dariaguin and Landon)以及l948年由荷兰的维韦和奥弗比克(Verwey and Overbeek)分别独立提出来的，取四人名字第一个字母，因此，称为DLV0理论。DLV0理论主要是通过粒子的双电层理论来解释分散体系稳定的机理及影响稳定性的因素。根据双电层模型，颗粒表面带电荷，颗粒被离子氛包围(如图1所示)。

图1中胶粒带正电，线圈表示正电荷的作用范围。由于离子氛中反离子的屏蔽效应，线圈以外不受胶粒电荷的影响，因此，当两个粒子趋近而离子氛尚未接触时，粒子间并无排斥作用；当粒子相互接近到离子氛发生重叠时(见图2)，处于重叠区中的离子浓度显然较大，破坏了原来电荷分布的对称性，引起了离子氛中电荷的重新分布，即离子从浓度较大区间向未重叠区间扩散，使带正电的粒子受到斥力而相互脱离，这种斥力是通过粒子间距离表示。位能曲线上出现一峰值U，称为位垒，只要位垒足够高，颗粒的运动无法克服它，则胶体就保持稳定。

由图3可知，当两粒子相距较远时，离子氛尚未重叠，粒子间“远距离”的吸引力在起作用，即引力占优势，曲线在横轴以下，总位能为负值；随着距离的缩短，离子氛重叠，此时斥力开始出现，总位能逐渐上升为正值，斥力也随距离变小而增大，至一定距离时出现一个能峰UR。位能上升至最大点，意味着两粒子间不能进一步靠近，或者说它们碰撞后又会分离开来。如越过位能峰，位能即迅速下降，说明当粒子间距离很近时，离子氛产生的斥力，正是微粒颗粒避免团聚的重要因素，离子氛所产生斥力的大小取决于双电层厚度。因此，可通过向分散系中加入能电解的物质如六偏磷酸钠、氯化钠、硝酸钠于悬浮液中来降低电位，也可以加入与颗粒表面电荷相同的离子表面活性剂，因为它的吸附会导致表面动电位增大，从而使体系稳定性提高。

二、空间位阻稳定理论

应用DLV0理论解释一些高聚物或非离子表面活性剂的胶体物系的稳定性时往往遇到麻烦，其重要原因是忽略了吸附聚合物层的作用。胶体吸附聚合物之后产生一种新的排斥位能——空间斥力位能，因此存在聚合物吸附层时，颗粒之间的总位能：

E=EA+ER+ES    (5—1)

式中EA——微粒之间吸引能；

ER——微粒之间排斥能；

Es——微粒之间空间斥力位能。

由上式可知，ES对胶体的稳定性起到重要作用，故称其稳定理论为空间位阻稳定理论。

三、空缺稳定理论

由于颗粒对聚合物产生负吸附，在颗粒表面层，聚合物浓度低于溶液的体相浓度。这种负吸附现象导致颗粒表面形成一种“空缺层”，当空缺层发生重叠时就会产生斥力能或吸引能，使物系的位能曲线发生变化。在低浓度溶液中，吸引能占优势，胶体稳定性下降。在高浓度溶液中，斥力能占优势，使胶体稳定。由于这种稳定是靠空缺层的形成，故称空缺稳定理论。

在胶体稳定性研究中，分散剂由于能显著地改变悬浮颗粒的表面状态和相互作用而成为研究的焦点。分散剂在悬浮液中可以吸附在颗粒表面，提高颗粒的排斥势能而阻止微粒的团聚。但分散剂在粉体表面的吸附有一最佳值，只有在分散剂达到饱和吸附量时，悬浮液的黏度才最小，体系才稳定。同时，研究还发现，溶液的酸碱性显著地影响分散剂在粉体表面的吸附状况。

纳米粉体表面改性的方法

纳米粉体表面改性的方法很多，主要有包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学改性、机械化学改性、高能处理改性、胶囊化改性、微乳化改性等。

（1）包覆处理改性

包理处理改性也称涂覆和涂层，是利用无机物或有机物，主要表面活性剂，水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等粉体表面进行包覆以达到改性的方法，如包括利用吸附、附着及简单化学反应或沉淀现象进行包膜。

（2）沉淀反应改性

利用化学反应并将其生成物沉淀在被改性粉体的表面，使形成一层或多层“改性层”的方法，以改变纳米粉体材料的表面特性，使其达到所需的使用要求，这是湿法改性的主要方法。

（3）表面化学改性

这是表面改性最重要、最常用的方法。表面化学改性通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应，从而使表面改性剂覆盖粒子表面，改变纳米粉体颗粒表面结构和状态，达到表面改性的目的。表面化学改性方法除利用表面官能团外，还利用游离基反应，鳌合反应，溶胶吸附和偶联剂。

纳米粒子比表面积大，表面键态，电子态不同于粒子内部，配位不全导致悬挂键大量存在，这就为采用化学反应对纳米粒子表面改性提供了有利条件。

纳米粉体材料的表面化学改性受到诸多因素的影响。主要有：纳米粉体颗粒表面的性质影响；表面改性剂的种类、用量及使用方法的影响；工艺设备及操作条件的影响等。

（4）机械化学改性

机械化学改性是通过超微粉碎及其它强烈机械力作用的过程有目的的对粉体表面进行激活，在一定程度上改变颗粒表面的晶体结构（表面无定形化）、溶解性能、化学吸附和反应活性（增加表面的活性点或活性从点）等。

（5）高能处理改性

通过电晕、紫外光、等离子体放射线、微波等高能粒子作用，在纳米粒子表面产生活性点，增加表面活性，容易与其它物质发生化学反应或吸附，对纳米粒子表面改性进而达到易分散的目的。

（6）胶囊化改性

胶囊化改性是在粉体颗粒表面上覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面改性方法。

（7）微乳化改性

在纳米粒子的制备中，形成两种或两种以上不互溶液体的热力学稳定的，各向同性的、外观透明或半透明的分散体系，微观上由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的液滴所构成的微乳液。粒子表面包覆一层表面活性剂分子，使粒子间不易聚结，通过选择不同的表面活性剂、助表面活性剂可对粒子进行修饰，并控制颗粒的大小。

从目前纳米材料发展来看，纳米粉体的团聚问题严重地限制了纳米材料的应用，纳米粉体的分散及表面改性技术是纳米材料发展过程中“重中之重”的技术。只有处理好这些问题，纳米粉体材料才能发挥巨大的功能。纳米粉体颗粒的均匀分散是各种材料改性后性能能否得到提高的关键，采用各种纳米粉体表面改性技术，可以使纳米粉体的表面和基体具有兼容性。