纳米粒子的团聚形成机理及分散方法

纳米粒子的团聚形成机理及分散方法

1 团聚分类

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。

由于团聚颗粒粒度小，表面原子比例大，比表面积大，表面能大，处于能量不稳定状态，因而细微的颗粒都趋向于聚集在一起，很容易团聚，形成团聚状的二次颗粒，乃至三次颗粒，使粒子粒径变大。

纳米颗粒的团聚一般分为两种：软团聚和硬团聚。对于软团聚机理，人们的看法比较一致，即软团聚是由纳米粉体表面分子或原子之间的范德华力和静电引力所致，由于作用力较弱，可以通过一些化学作用或施加机械能的方式来消除。对于硬团聚，不同化学组成不同制备方法有不同的团聚机理，无法用统一的理论来解释。因此需要采取一些特殊的方法来对其进行控制。

2 纳米颗粒团聚的形成机理

颗粒细化到纳米级后，其表面积累了大量的正、负电荷，纳米颗粒的形状极不规则，这样造成了电荷的聚集。纳米颗粒具有很高的化学活性，表现出强烈的表面效应，很容易发生聚集而达到稳定状态，从而团聚发生。

2.1 纳米颗粒在液体介质中的团聚机理

液体介质中超细颗粒团聚的主要原因是吸附和排斥共同作用的结果。如果吸附作用大于排斥作用，颗粒团聚；反之，颗粒则分散。

2.2 干燥过程中团聚颗粒团聚的机理

干燥过程可看作固液分离过程，目前有代表性的理论有：晶桥理论，毛细管力吸附理论，氢键作用理论和化学键作用理论。

实际上，单一的理论很难解释团聚形成的机理，必须综合目前的理论，具体实验具体分析。在制各超细氧化铝的实验中已经表明：粉体的一次颗粒团聚成二次颗形成硬团聚的机理在于：在制备粉体的过程中，湿凝胶的脱水干燥，煅烧过程是引起粉体中硬团聚形成的主要原因。胶体进入干燥阶段，不同的干燥方法也会产生不同的团聚效果。

纳米颗粒的团聚与分散取决于其形态和表面结构等，而纳米颗粒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、环境状态等诸多因素有关，因而导致了纳米粉体团聚与分散机制的复杂性和多样性。

3 纳米颗粒团聚分散方法

纳米颗粒团聚分散就是采用一定的手段获得粒子细小、粒径分布窄、分散性好的颗粒。目前就团聚的分散有多种分类。常用的分散方法有物理的和化学的方法，制备、储运、使用过程中纳米颗粒分散方法等分类。

3.1 制备过程中纳米粉体团聚的解决方法

3.1.1表面改性

采用物理和化学方法对纳米颗粒进行表面处理，有目的地改变其表面物理化学性质，称为表面改性。其目的是变相降低纳米粉体颗粒的表面能，提高纳米粉体的稳定性。通过改性可以大大减少纳米颗粒之间的团聚。目前，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、微乳化改性等等。

3.1.2控制pH值

根据制备纳米颗粒的不同，控制不同的pH值。例如：在ZrO2超细粉制备过程中pH值控制在9-11为宜；并且对溶液进行强力搅拌可提高析出凝胶的均匀性，减少团聚的产生。

3.1.3颗粒表面形成双电层

液体中的颗粒表面因离子的选择性溶解、选择性吸附或同晶置换而带电，反号离子通过静电吸引作用在颗粒周围的液体中扩散分布形成双电层。通过双电层之间库伦排斥作用使纳米粒子之间发生团聚的引力大大降低，从而有效地防止纳米颗粒的团聚，达到纳米颗粒分散的目的。

3.1.4物理法分散

机械力分散通常被认为是最简单的物理分散方法，它是借助外界剪切力或撞击力能使纳米粒子在介质中分散的一中方法。在机械搅拌下纳米粒子的特殊表面结构容易产生化学反应，形成有机化合物枝链或保护层，使得纳米粒子更易分散。

超声波分散是降低纳米粒子团聚的有效方法。主要是基于超声波的特殊分散性能。超声波是频率范围在20~106kHz的机械波，其波速一般约为1500m/s，波长为10~0.01 cm。显然，超声波的波长远大于分子尺寸，说明超声波本身不能直接对分子产生作用，而是通过对分子周围环境的物理作用影响分子的，也即是利用超声空化作用所产生的冲击波和微射流所具有的粉粹作用，达到分散微粒的目的。该技术目前普遍用于液相制备纳米粉体的方法中，尤其是溶胶-凝胶法。

3.1.5采用适当洗涤方法

在沉淀物中的水是引起纳米粒团聚的因素之一，因此采用适当的洗涤方法将沉淀物中的水洗去是防止纳米粒子团聚的主要方法。首选用的物质是低沸点的有机物。

3.1.6采用适当干燥、煅烧方式

实验证明，在保证沉淀物干燥完全、煅烧分解完全的基础上，温度越低、时间越短越好。目前常采用的干燥方式有以下几种方式：闪蒸、冷冻干燥、超临界干燥、喷雾干燥、真空干燥等方式。目前最先进的煅烧方式是悬态锻烧, 该方法可使粉体煅烧瞬间完成。

3.2储运过程中纳米粉体团聚的解决方法

3.2.1钝化处理

所谓的钝化处理，就是对刚制备出来的纳米粉体在接触大气之前先进行表面慢氧化处

理，经过这样处理的纳米粉体表面可形成一层氧化膜，颗粒的稳定性大大提高，可以很方便在空气中储运和应用。

3.2.2防聚结处理

通常是将采用少量的添加剂掺杂在纳米粉体中。这样可在纳米粉体表面产生强吸附或化学亲和作用，又在阻碍纳米粒子对水的吸附，使纳米粒子表面不能形成完整的水膜，颗粒间的盐桥消失，从而抑制纳米粒子的聚结。常用防聚结处理的添加剂有：抗静电剂、润滑剂、防潮剂、表面活性剂、偶联剂等。

3.2.3溶剂储存

使用各种溶剂对纳米粉体进行保护是一种有效的储运方法。根据客户不同的使用要求可选用不同的化学溶剂（如水、苯、二甲苯、丙酮或醇类等）配成不同浓度的稳定的纳米浆液，以此来保持颗粒间良好的分散性和均匀性，延缓或避免颗粒之间的团聚。

3.2.4加强储运管理

在纳米粉体的储运过程中，要严格按照其运输管理等规章制度来执行。纳米粉体应储存在避光、干燥、阴凉的地方，堆放时要做到包装之间没有挤压力，而且纳米粉体堆放时间不易过长，最好是按照订单生产，运输过程中要防止雨淋、受潮，在整个储运过程中应有专人专管。

3.3使用过程中纳米粉体团聚的解决方法

使用过程采用最好方法是直接成材。所谓直接成材就是将新制备出来的纳米粉体不经取出，就制成所希望的形状。这样可解决许多储运技术方面的难题，而且可以开拓适合于纳米粉体特长的应用领域。

纳米核壳结构简介

核壳结构微纳米材料应用技术 摘要 (2) 1核壳型纳米粒子的定义及分类 (2) 1.1 核壳型纳米粒子定义 (2) 1.2 核壳型纳米粒子分类 (2) 2 核壳结构微纳米材料形成机理 (3) 3有机—有机核壳结构微纳米材料制备 (3) 3.1乳液聚合法 (3) 3.2悬浮聚合法 (3) 4有机—无机核壳结构微纳米材料制备 (4) 4.1无皂聚合法 (4) 4.2化学共沉淀法 (4) 5无机—无机核壳结构微纳米材料制备 (4) 5.1种子沉积法 (5) 5.2水热法 (5) 6 核壳结构微纳米材料的应用 (6) 6.1 核壳结构微纳米材料的医学应用 (6) 6.2 核壳结构微纳米材料作为催化剂 (6) 参考文献 (7)

摘要 纳米科学被认为是21世纪头等重要的科学领域，它所研究的是人类过去从为涉及的非宏观、非围观的中间领域，使人们改造自然的能力延伸到分子、原子水平，标志这人类的科学技术进入了一个新的时代。纳米结构由于既有纳米微粒的特性如量子效应、小尺寸效应、表面效应等优点，又存在由纳米结构组合引起的新效应，如量子耦合效应和协同效应等，而且纳米结构体系很容易通过外场（电、磁、光）实现对其性能的控制。核壳型纳米微粒由于表面覆盖有与核物质不同性质纳米粒子，因此表面活性中心被适当的壳所改变，常表现出不同于模板核的性能，如不同的表面化学组成、稳定性的增加、较高的比表面积等，这些粒子被人为设计和可控制备以满足特定的要求。 关键词：纳米核壳纳米材料的应用 1核壳型纳米粒子的定义及分类 1.1 核壳型纳米粒子定义 核壳型纳米粒子是以一个尺寸在微米至纳米级的球形颗粒为核，在其表面包覆数层均匀纳米薄膜而形成的一种复合多相结构，核与壳之间通过物理或化学作用相互连接。广义的核壳材料不仅包括由相同或不同物质组成的具有核壳结构的复合材料，还包括空球、微胶囊等材料。 核壳型复合微球集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性质与一体，并可通过控制核壳的厚度等实现复合性能的调控。通过对核壳结构、尺寸剪裁，可调控它们的磁学、光学、电学、催化等性质，因而有诸多不同于单组分胶体粒子的性质。他在材料学、化学组装、药物输送等领域具有极大的潜在应用价值。 1.2 核壳型纳米粒子分类 (1)无机—无机核壳结构微纳米材料:核壳均为无机材料的复合微纳米材料。 (2)无机—有机核壳结构微纳米材料:核为有机材料，壳为无机材料的复合微纳米材料。 (3)有机—无机核壳结构微纳米材料：核为无机材料，壳为有机材料的复合微纳米材料。 (4)有机—有机核壳结构微纳米材料：核壳均为有机材料的复合微纳米材料。 (5)复杂核壳结构微纳米材料：具有多层核壳结构，核壳多分分分别为有机或者无机材料。

纳米复合材料制备

方法： 1.1溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是一种制备纳米复合材料的重要方法，它是将无机相的前驱体(例如:正硅酸乙醋)和聚合单体、低聚物或高聚物在液态状态下相互混溶，实现分子级水平的均匀混合后，发生溶胶一凝胶反应，生成的纳米复合材料的各组分之间可以形成相互连接的范德华力、氢键或者是化学键，防止了相分离的发生。 溶胶凝胶法的特点在于，该方法反应条件温和，分散均匀，甚至可以达到“分子复合”的水平。目前溶胶一凝胶法是应用最多、也比较完善的方法之一。但它也有一些缺点，如前驱物大都是正硅酸烷基酷，价格昂贵而且有毒;干燥过程中由于溶剂、小分子的挥发，使材料内部产生收缩应力，致使材料脆裂，很难获得大面积或较厚的纳米复合材料等。 1.2原位聚合法 原位聚合，即在位分散聚合，是制备具有良好分散效果纳米复合材料的重要方法。该方法将纳米粒子在单体中均匀分散，然后在一定条件下就地聚合，形成纳米复合材料。 （由于这些原位生成的第二相与基体间的界面有着理想的原位匹配，能显着改善材料中两相界面的结合状况。而且，原位复合省去了第二相的预合成，简化了工艺。此外，原位复合还能够实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能，同时避免因传统工艺制备材料时可能遇到的第二相分散不均匀，界面结合不牢固以及物理、化学反应使组成物相丧失某些特性等不足的问题。原位聚合法可在水相，也可在油相中发生，单体可进行自由基聚合，在油相中还可进行缩聚反应，适用于大多数聚合物基有机一无机纳米复合体系的制备。）原位聚合法反应条件温和，制备的复合材料中纳米粒子分散均匀，粒子的纳米特性完好无损。同时在聚合过程中，只经次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生的降解，从而保持了基本性能的稳定。但其使用有较大的局限性，因为该方法仅适合于含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中使单体分子进行原位聚合制备纳米复合材料。 1.3插层法 插层复合法是将单体或插层剂插层于具有层状结构的硅酸盐(粘土、云母等)、石墨、金属氧化物等无机物中，然后单体在无机片层之间聚合。在此过程中，单体进入无机片层之间，并因聚合可使片层间距扩大甚至剥离，使层状填料在聚合物基体中达到纳米尺度的分散，从而获得纳米级复合材料。 1.3.1溶剂插层法(大分子或预聚物插层法) 该方法首先将层状硅酸盐在一种溶剂(可以是有机溶剂或水)中剥离成单片层，然后将聚合物(对于不溶解聚合物，可使用预聚物)溶解在该混合物中，由于聚合物与层状硅酸盐片层有一定的吸附作用，当除去溶剂后，层状硅酸盐发生聚集，将聚合物夹在层状硅酸盐之间，得到具有一定规整结构的纳米复合材料。 对于水溶性基体，如氧化聚乙烯PEo[聚乙烯醇PV A[s]都使用该方法得到了插层型纳米复合材料，而聚己酸内醋PCL和聚交酷PLA溶解在氯仿中也使用该方法得到了纳米复合材料件。对于不能溶解的一些聚合物，则将其预聚物溶解在含有剥离层状硅酸盐的溶液中，使预聚物吸附在层状硅酸盐上，然后采用物理或化学方法将预聚物转化为目标聚合物，如聚酞亚胺。 1.3.2原位插层聚合法 将层状硅酸盐在液体单体(或单体溶液)中溶胀，然后单体在层间引发聚合，引发可以采

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

钛酸钡纳米颗粒聚集球的形成机理

[Article] https://www.wendangku.net/doc/1e3631502.html, 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27(12),2927-2932 December Received:July 20,2011;Revised:September 21,2011;Published on Web:October 10,2011.? Corresponding author.Email:jiangxp64@https://www.wendangku.net/doc/1e3631502.html,,zhq_0425@https://www.wendangku.net/doc/1e3631502.html,;Tel:+86-798-8499237. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (91022027,51062005,50862005).国家自然科学基金(91022027,51062005,50862005)资助项目 ?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica 钛酸钡纳米颗粒聚集球的形成机理 展红全 江向平 * 李小红罗志云陈超李月明 (景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院,江西省先进陶瓷材料重点实验室,江西景德镇333403) 摘要: 采用水热法合成了具有新颖结构的钛酸钡纳米颗粒聚集球.X 射线衍射(XRD)结果显示该聚集球为立 方相,随着时间的延长其结晶性增强.利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和电子衍射(ED)谱研究了该纳米颗粒聚集球的生长特点.结果表明该聚集球是由5-8nm 的纳米颗粒定向连接生长而成,整个聚集球对外显示类单晶的现象.聚集球的大小约为60nm,随着时间的延长有长大的趋势.X 射线能谱(EDX)分析结果和Johnson-Mehl-Avrami (JMA)方程动力学模拟结果表明,在颗粒球形成初始阶段主要是Ba 2+离子的扩散成核作用占主导地位.这种“扩散成核-定向生长”的形成过程揭示了钛酸钡纳米颗粒聚集球的生长机理.关键词: 钛酸钡;JMA 方程;水热法;扩散机理;定向生长 中图分类号: O643.12 Formation Mechanism of Barium Titanate Nanoparticle Aggregations ZHAN Hong-Quan JIANG Xiang-Ping *LI Xiao-Hong LUO Zhi-Yun CHEN Chao LI Yue-Ming (Jiangxi Key Laboratory of Advanced Ceramic Materials,Department of Material Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,Jiangxi Province,P .R.China )Abstract:A novel nanoparticle aggregation structure of barium titanate was obtained by the hydrothermal method.Powder X-ray diffraction (XRD)revealed that the aggregates crystallized in the cubic phase.The crystallization of the products became more significant with reaction progress.The growth characteristics of the aggregates was further confirmed by scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM),high resolution transmission electron microscopy (HRTEM),and electron diffraction (ED)spectroscopy.The aggregation was composed of many 5-8nm nanoparticles by orientation attachment and we found that the ED patterns indicated a single-crystal property for the aggregates.The size of the aggregates was about 60nm and they grew as the reaction continued.From the results of energy dispersive X-ray (EDX)spectroscopy analysis and kinetics modeling using the Johnson-Mehl-Avrami (JMA)equation,the diffusion nucleation of Ba 2+ion was found to be dominant during the early stages of aggregation formation.The growth process of “diffusion nucleation -orientation attachment ”revealed the formation mechanism of barium titanate nanoparticle aggregations.Key Words:Barium titanate; JMA equation; Hydrothermal method; Diffusion mechanism; Orientation attachment doi:10.3866/PKU.WHXB20112927 2927

纳米材料粒度分析

纳米材料粒度分析 一、实验原理 纳米颗粒材料（粒径<100nm ）是纳米材料中最重要的一种，可广泛用于纳米复合材料制备中的填料、光催化颗粒、电池电极材料、功能性分散液等。粒径(或粒度)是纳米颗粒材料的一个非常重要的指标。测试颗粒粒径的方法有许多种，其中，电子显微镜法和激光光散射法均可用纳米材料粒度的测试，电子显微镜法表征纳米材料比较直观，可观察到纳米颗粒的形态，但需要通过统计计数（一般需统计1000个以上颗粒的粒径）方法来得到颗粒粒径，比较烦琐费时，尤其是在纳米颗粒的粒径分布较宽时，统计得到的粒径及粒径分布误差将增大。激光光散射法得到的纳米颗粒粒径具有较好的统计意义，制样简单，测试速度快，但激光光散射法无法观察到颗粒形态，在测试非球形颗粒时测试误差也较大。因此，上述两种纳米材料的测试方法各有优缺点。本实验选用激光光散射法测试纳米材料的粒径及粒径分布。所用仪器为Beckman-coulter N4 Plus 型激光粒度分析仪。 图1为N4 Plus 型激光粒度分析仪的测量单元组成图，主要由HeNe 激光光源、聚焦透镜、样品池、步进马达、光电倍增管(PMT)、脉冲放大器和鉴别器(PAD)、数字自相关器、6802微处理器和计算机组成。 图1 N4 Plus 型激光粒度测试仪的测量单元组成图 N4 Plus 型激光粒度分析仪的测量原理主要基于颗粒的布朗(Brownian)运动和光子相关光谱(Photon Correlation Spectroscopy, PCS)现象。在溶液中，粒子由热导致与溶剂分子发生随机碰撞所产生的运动称为布朗运动，由于布朗运动，粒子在溶液中可发生扩散移动。在恒定温度及某一浓度下，粒子的平移扩散系数与颗粒的粒径成反比，即符合Stokes-Einstein 方程： d 3T k D B πη= （1） 式中k B 为玻尔兹曼常数(1.38×10-16 erg/?K)，T 为温度(?K)，η为分散介质(或稀释剂)粘度(poise)，

碳纳米管科普

碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发，发真得够细吗？?
中国有句谚语为＂心细如发＂，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里， 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者， 人们形容薄时，爱用“薄如蝉翼” ，但蝉翼真得够薄吗？然而，大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗？仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗？ 事实上还多得很。 比如铜丝，现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝，也能达到这个级别。 而更绝的是，用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米（nm）的细槽，从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是， 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1)， 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比，直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大，人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了，总得一周左右 的时间。但即使这样，您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子)，所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料，成为 一种实物，而不再是无所束缚的， 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 （从上而下的英文 字形结构；手性结构）?
armchair
zigzag
chiral
为：扶手椅式结构；Z

实际上， 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间， 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电，将石墨靶上的碳原子进行激发，然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里，科学家发现，只要能量足够，这些碳原子就会自动连接起来，形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下，科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其元素，尺寸与形状，科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比，才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ，则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬，而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见，社会科学中的词语包含了粗与细的平衡，什么事都得适可而止，非常玄妙。 然而，在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里，却不是这样，自从 C60 与碳纳米管的发现，人类正式进行了纳米时代，可能大家都听过“纳米领带” ， “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实， 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上，追求细小或细微或精细，是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到，从旧石器时代，新石器时代，以及青铜时代， 铁器时代，到火车轮船时代，以及飞机及计算机时代。从手工打造，铸造，到普 通车床加工， 再到数字车床加工， 激光刻蚀。 比如， 普通汽车与拖拉机的发动机， 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说，汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级，而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细， 也就越来越有功能。而到达纳米级后，计算机硅片的加工要求又从 100 nm，小 到 60?nm，直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面，是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公：碳纳米管，竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见， 如果计算机的加工基础可以小到这个程度，或由这么小的材料来组装器件，则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇，有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上，生物的新陈

多壁碳纳米管的表面修饰及其在溶剂中的分散性

第37卷第6期2009年6月化　工　新　型　材　料N EW CH EMICAL MA TERIAL S Vol 137No 16 ?61? 基金项目:江西省自然科学基金(24064001)和江西省教育厅科技重点项目(20072126)资助作者简介:周小平(1983-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:碳纳米管及其复合材料。联系人:侯豪情。 多壁碳纳米管的表面修饰及其在溶剂中的分散性 周小平　余腊妹　郭乔辉　周政平　侯豪情3 (江西师范大学化学化工学院,南昌330022) 摘　要　利用高温催化裂解生长多壁碳纳米管,用硝酸氧化使其表面羧酸化,并经酰氯化后与十二烷基胺反应形成表面酰胺化,通过红外、核磁、微量热天平等方法进行表征。结果表明:硝酸氧化后的碳纳米管在水等强极性溶剂中有良好的分散性;酰胺化后,十二烷基脂肪链使碳纳米管表面极性大为降低,因此在氯仿等弱极性溶剂中有良好的分散性。 关键词　碳纳米管,表面修饰,分散性,十二烷基酰胺 Surface modif ication of multiw alled carbon nanotubes and their dispersion in solvents Zhou Xiaoping Yu Lamei Guo Qiaohui Zhou Zhengping Hou Haoqing (Instit ute of Chemist ry and Chemical Engineering ,Jiangxi Normal University ,Nanchang 330022)Abstract Multiwalled carbon nanotubes ,formed by catalysis pyrolysis ,were dealt with concentrated nitric acid to produce the surface 2carboxylated carbon nanotubes.The later was treated with thionyl chloride and dodecyl amine to form the surface 2amidated carbon nanotubes.Characterized using IR 、NMR 、T GA.The carbon nanotubes ,treated with nitric acid had a good dispersion in strong 2polar solvent i.e.water due to the strong polarity on their surface ;The surface 2amid 2ated ,had a low polarity ,which made them a good dispersion in low 2polar solvent i.e.chloroform. K ey w ords carbon nanotube ,surface modification ,dispersion ,dodecyl amide 碳纳米管(CN Ts )自发现以来因其优良的力学、电学和热学性能受到广泛关注[1]。随着碳纳米管的合成技术和纯化研究的不断完善[2],人们的研究兴趣主要集中在碳纳米管的应用领域。但碳纳米管是既不溶于水也不溶于有机溶剂,而悬浮液又易团聚的物质,这种难于分散的性质限制了其在许多领域的应用。对碳纳米管进行表面化学修饰,改善其表面性能是解决碳纳米管分散性和溶解性的有效途径[3]。化学修饰法是使碳纳米管与改性剂[4]之间进行化学反应,改变碳纳米管的表面结构和状态,达到改性目的。常用的是强酸或混酸使碳纳米管表面的缺陷氧化成羧基,然后利用醇类或胺类化合物与之作用形成酯或酰胺[5],而改善碳纳米管的溶解性和分散性。 Liu Jie 等[6]用浓硫酸和浓硝酸的混合物氧化碳纳米管, 将之裁剪成端头上带羧基的150～180nm 的“短管”。在此基础上,Chen Jian 等[7]通过羧基和氨基的反应,在碳纳米管的端头连接上了十八胺和42十四烷基苯胺。这些经修饰的碳纳米管可溶于氯仿、二氯甲烷及芳香族溶剂等。此法在引入羧基的同时,碳纳米管的尺寸被截断得较短,降低了其长径比,也破坏了碳纳米管的部分管壁结构。Shi Zujin 等[8]成功制备出了碳纳米管的水溶胶并测定了它的三阶光学非线性,证明碳纳米管在光信息过程中有潜在应用价值。这些工作为研究碳纳米管的表面修饰和化学改性开辟了新途径。 本实验以甲苯为碳源,二茂铁为催化剂制备碳纳米管,用浓HNO 3将其羧酸化,并将羧基酰氯化后与十二胺反应,形成脂肪族烷基酰胺修饰的碳纳米管。这样修饰的碳纳米管在三氯甲烷等有机溶剂中具有良好的溶解性和分散性,为制备高性能的聚合物/碳纳米管复合材料,如电纺聚酰亚胺/碳纳米管复合纳米纤维,奠定了基础。 1　实验部分 111　仪器及试剂 红外光谱分析仪(FTIR ):WQ F 2410型(Bruker );热失重 分析仪(T GA ):XM T 21型(上海祖发实业有限公司);旋转蒸发仪:RE 252AA (上海亚荣生化仪器厂);核磁共振仪:AV400,400M Hz (Bruker 公司);高温反应炉(上海电炉厂),配有110cm 长,45cm 内径的钢质管式反应器。 碳纳米管(CN Ts ):自制;二茂铁(AR ),广东省汕头市西陇化工厂;甲苯(AR ),天津市福晨化学试剂厂;十二胺(98%,AR ),阿法埃莎化学有限公司;氯化亚砜(SOCl 2,AR ),北京化学试剂厂;浓硝酸,南昌市鑫光化学试剂厂;N ,N 2二甲基甲酰胺(DMF ,AR ),天津市福晨化学试剂厂;H 2(99199%),华东特种气体有限公司;氩气(99199%),华东特种气体有限公司。 112　碳纳米管的合成及表面修饰 11211　碳纳米管的合成

碳纳米技术发展综述

碳纳米管技术发展概况 学院：电子信息工程学院 专业：通信工程 姓名：彭昱 学号：3013204217 【摘要】随着社会经济的飞速发展，碳纳米材料的应用日趋广泛，以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为代表的碳纳米材料。在经历20世纪90年代的研究高潮后，如今也已经进入了平稳扎实的研究阶段。随着研究的不断深入，碳纳米材料在人类生产生活中显示出越来越多不可替代的重要作用。碳纳米管（CNT）也是“纳米世界”中的重要一员，因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和商业价值。本文综述了碳纳米管的发展历程、结构性能，应用及其发展前景及展望。 【关键词】碳纳米管；发展历程；结构；特性；应用；前景 碳纳米管的发展历程 1985 年英国萨塞克斯大学的波谱学家Kroto 教授与美国莱斯大学的Smalley和Curl 两教授在合作研究中，发现碳元素可以形成由60 个或70 个碳原子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子，被称为巴基球（Buckyballs）；1991 年，日本NEC 科学家Iijima 在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜发现一种外径为515nm、内径为213nm，仅由两层同轴类石墨圆柱面叠而成的碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极，同年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管的结构 碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。按照所含石墨片层数的不同，碳纳米管可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。下图为常见的碳纳米管结构图。虽然从本质上讲，碳纳米管都是有相同的石墨层构成的但它们的导电特性却并不一样，具体情况取决于起的是金属还是半导体的作用。 碳纳米管的特性 碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的C=C 共价键是自然界最稳定的化学键，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达5TPa，强度约为钢的100 倍，而重量密度却只有钢的1/6。Treacy 等首次利用了TEM 测量了温度从室温到800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅，从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为1.8Tpa。而Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量，并导出其剪切模量为1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为14.2±10.8GPa，而碳纤维的弯曲强度却仅有1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的“超级纤维”。直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异是碳纳米管兼导体和半导体的特性；独特的螺旋分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高的吸收率。此外，碳纳米管还具有独特的光学性能，良好的热传导性，极高的耐酸、碱性和热稳定性。

纳米材料

绪论 1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。 2、纳米材料 （1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因） （2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺； 纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。 （3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等 （4）纳米材料的维度： ○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状） ○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构） ○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构） ○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成） （5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料 ○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料 3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。 4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。 5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。可用于研究半导体、导体和绝缘体。 AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程 分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质 纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征 纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应 纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制； 纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科 纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。 成分：是影响性能的基础 结构：决定材料性能的关键材料 性能：各种物理或化学性质 效能：材料在使用条件下的表现

碳纳米管分散综述

碳纳米管的研究 摘要:综述了碳纳米管／聚合物复合材料制备过程中碳纳米管预先分散所使用的方法。为实现碳纳米管在聚合物中的分散，首先要求加入的碳纳米管本身具备足够的分散度。碳纳米管的分散方法主要有：表面化学修饰、分散剂分散、超声分散、机械分散、溶剂分散。 引言：自从1991年日本电镜专家Iijima首先在高分辨透射电子显微镜(HRTEM)下发现碳纳米管以来，碳纳米管优异的各项性能已经激起了众多研究人员对其结构、性能、应用的研究，并已取得了显著进展。纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性，展现出许多独特的物理化学性质。20世纪80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国都给予了极大关注。它所具有的独特性质，给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带米新的机遇。近年来，新型纳米材料和纳米技术在涂料工业中获得了大量应用，为提高涂料性能和赋予其特殊功能开辟了一条新途径。作为一种极具发展潜力的新型纳米材料，碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）具有金属或半导体的导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等特性，将其应用于涂料领域，可使传统涂层的性能得到提升并赋予其新的功能。 1、碳纳米管的合成制备 1.1、碳纳米管主要制备法方法有电弧法、热解法和激光刻蚀法。其中电弧法（与Wolfgang-Kratschmer 法制备富勒烯类似）为在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生碳纳米管。热解法就是采用过渡金属作催化剂，700－1600K 的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的形成过程游离态的碳原子或者碳原子团，发生重新排布的过程。制备SWNT 时，必须添加一定数量的催化剂，如过渡元素（Ni、Co、Fe 等），或者镧系元素（Ld、Nd、La、Y 等），或者它们的混合物。催化剂在SWNTs 的生长过程中，能够降低弯曲应力，促进碳原子排列整齐并且阻止SWNTs 两端的富勒烯分子的形成。得到的碳纳米管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反应条件。 1.2、碳纳米管的进一步加工--- CNTs 的功能化（以SWNTs 为例）： 目的：提高CNT 的溶解度，有助于纯化，并引入新的性能。 方式（与图中对照）： ·共价功能化： A：端口功能化B：侧壁功能化 ·非共价功能化： C：表面活化剂功能化D：聚合物功能化E：内腔功能化

纳米颗粒分散技术的研究与发展

!!!!!!!!!化!!!工!!!进!!!展!!!!! !!!!!!!!!CHEM I CAL I NDUSTRY AND ENG I NEER I NG PROGRESS!!!! 纳米颗粒分散技术的研究与发展 宋晓岚!王海波!吴雪兰!曲!鹏!邱冠周 中南大学资源加工与生物工程学院无机材料系长沙41008S 摘!要!分析了纳米颗粒团聚形成的原因!阐述了研究纳米颗粒分散的意义!着重介绍了物理分散和化学分散技术研究进展!指出纳米颗粒分散技术的发展方向是设计高效分散机械!以提高有效分散体积和能量利用率"合成性能优异的超分散剂及研究不同的混合分散剂!以提高分散后的粒子稳定性!最终提高分散效果"加强纳米颗粒分散的基础理论研究及其与其他学科融合交叉!为纳米颗粒分散及分散剂的选择提供理论指导!并开发新的适合纳米材料制备的新工艺# 关键词!纳米颗粒!团聚!分散技术!研究与发展 中图分类号!TB S8S!!!!!文献标识码!A!!!!!文章编号!1000661S Z00501004706 Research and d evelo p m ent of d is p ers ion techni

纳米材料习题答案

纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径 答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1

4、论述碳纳米管的生长机理（图）。 答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。 （1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移； ②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端； （2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。 ①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 （1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长： （2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的 液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。