纳米粉体表面改性的必要性和应用前景

2011-04-01彭丽玲

船电技术 2011年3期

关键词：纳米粉体紫外光纳米材料

彭丽玲

(广东省石油化工职业技术学校，广东佛山528222)

1 前言

纳米粉体是颗粒尺度为纳米量级(1～100 nm)的超细粉体。由于纳米材料特有的小尺寸效应、量子效应和表面界面效应，因而表现出许多特殊的物理和化学性质。纳米材料的工业化生产和在涂料中的应用，带动了纳米材料在各个领域中的应用研究。

2 纳米粉体的缺陷

2.1 表面吸附[1]

纳米粒子表面有大量的活性原子存在，极易吸附各种原子或分子。如在空气中，纳米粒子会吸附大量的氧、水等气体。对10 nm左右的银纳米粒子表面进行X射线光电子能谱(XPS)分析表明，氧的吸附量高达8%，且吸附力很强，在XPS的真空系统中，氧也没有脱附。在半导体纳米粒子表面，因导体类型不同会相应地吸附氧或氢等物质。

2.2 氧化

纳米粒子活性极大，多数金属纳米粒子在与空气接触时容易氧化甚至燃烧。因此，其抗氧化性能较差，易氧化、自燃甚至爆炸。对于银、金等稳定性较好的金属纳米粒子，氧化过程并不明显，纳米氧化银粉末在光照下还会发生分解，这可能与这些金属氧化物的稳定性有关。

2.3 团聚

纳米粒子的团聚可以减小颗粒的比表面，减小体系Gibbs自由能，降低颗粒的活性。

纳米粒子的团聚一般分为软团聚和硬团聚两类[2]。软团聚主要是由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致。目前，对纳米粒子硬团聚的形成机理存在着不同的看法，如晶体理论认为，湿凝胶在干燥过程中，毛细管效应使纳米粒子相互靠近，纳米粒子之间由于表面羟基和溶解沉淀形成晶桥而变得更加紧密，进而形成较大的块状聚集体。氢键作用理论认为，纳米粒子表面羟基相互作用形成氢键，纳米粒子间依靠氢键作用而相互聚集，从而形成硬团聚。化学键作用理论的观点则认为，相邻胶粒表面的非架桥羟基发生缩合反应而桥连，纳米粒子表面存在的非架桥羟基是产生硬团聚体的根源。

3 纳米粉体表面改性的目的[1]

纳米粉体的表面改性是指采用一定的方法对超细粉体的表面进行处理、修饰及加工，有目的地改变纳米粉体表面的物理、化学性质，以满足纳米粉体加工及应用需要的一门科学技术。纳米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。

纳米粒子经表面改性后，其吸附、润湿、分散等一系列表面性质都将发生变化，有利于颗粒保存、运输及使用。通过修饰纳米粒子表面，可以达到以下目的。

3.1 保护纳米粒子，改善粒子的分散性

经过表面修饰的粒子，其表面存在一层包覆膜，阻隔了周围环境，防止了粒子的氧化，消除了粒子表面的带电效应，防止了团聚。同时，在粒子之间存在一个势垒，在合成烧结过程中颗粒也不易长大[3]。

3.2 提高纳米粒子的表面活性

修饰后的纳米粒子表面覆盖着表面活性剂的活性基团，大大提高了纳米粒子与其他试剂的反应活性，为纳米粒子的偶联、接枝创造了条件。

3.3 界面的微观结构和性质直接影响界面的结合力

和复合材料的力学性能。

修饰后的纳米粒子表面状态发生了改变，因而可获得新的性能。如纳米粒子改性可增加与聚合物的界面结合力，提高复合材料的性能。

3.4 改善纳米粒子与分散介质之间的相容性

选择合适的修饰剂可使纳米粒子与分散介质达到良好的浸润状态，如用表面活性剂作修饰剂在水溶液中分散无机纳米粒子时，表面活性剂的非极性亲油基吸附在微粒表面，极性亲水基与水相溶，达到在水中分散的目的。反之，纳米粒子可分散在油中。

3.5 为纳米材料的自组装奠定基础

纳米粒子修饰后，颗粒表面形成一层有机包覆层，包覆层的极性端吸附在颗粒的表面，非极性长链则指向溶剂。在一定条件下，有机链的非极性端结合在一起，形成规则排布的二维结构。

4 纳米粉体表面改性的主要应用[4,5,6]

4.1 塑料改性

把分散好的纳米颗粒均匀地添加到树脂材料中，可达到全面改善增强塑料性能的目的。加入纳米颗粒后的环氧树脂，其结构完全不同于加粗晶粒子的环氧塑料，从而能大幅度提高强度、韧性和延展性。同时能提高耐磨性和改善材料表面的粗糙度，提高材料的抗老化性能。如利用纳米SiO2红外强吸收特性，与其他纳米材料一起，添加到玻璃钢中，可以制成有红外吸收性能的玻璃钢；利用纳米SiO2的高介电特性，可以制成高绝缘性能的玻璃钢等。

4.2 烧结材料的活化剂

超细颗粒熔化时所需的内能较小，这使其熔点急剧下降，一般为块状材料熔点的 30%～50%，这种性质可使其烧结温度显著降低，又由于超细粉体具有流动性大、渗透力强、烧结收缩性大等烧结特性，可以作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。如普通钨粉需在3000℃高温时烧结，而当渗入0.1%～0.5%的超细镍粉后，烧结成型温度可降低到1200～1311℃。

4.3 用于生物细胞分离

利用纳米微粒进行细胞分离，尺寸控制在15～20 nm，结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层，包覆后所形成的复合体的尺寸约为30 nm。将纳米包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需的细胞很快分离出来。

4.4 电子组装材料中应用

基板材料的主成份根据不同用途分别是Al2O3、BeO和 AlN。为了增强烧结密度，降低烧结温度，常在 AlN烧结时加入 CaO、SiO2、Y2O3等助烧剂，这些添加的颗粒起到二相和复相增韧、致密、提高强度的作用。莫来石是电子工业封装材料的最佳原材料之一。日本从20世纪90年代初开始投入巨资开发研制人造莫来石，他们用70%纳米Al2O3和 30%纳米 SiO2混和烧结合成纳米级莫来石。

4.5 在光学领域的应用

作为光纤材料的纳米微粒可以降低光导纤维传输损耗，热处理后的纳米 SiO2光纤对波长大于300 nm的光的传输损耗小于10 dB/km。纳米微粒用于红外反射材料制成薄膜，应用于灯泡工业上可节省电力资源。

4.6 作为涂料的添加剂

纳米二氧化钛材料是一种抗紫外线辐射材料，加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网格结构，同时增强涂料的强度和降低表面粗糙度，所以添加纳米二氧化钛材料的涂料，能使其抗老化性能和强度成倍提高。

4.7 纸张表面涂层（瓷土）的重要原材料

纳米SiO2的透明度好，作为瓷土的重要原料不但可以使涂层变得更加致密，而且使表面更加光滑。适当地选择颗粒尺寸还具有纸张漂白作用。

4.8 陶瓷材料[6]

将纳米颗粒均匀分散到陶瓷基体中，制备成纳米复相材料，可以改善和提高材料的力学性能。典型的例子是纳米SiC颗粒对Al2O3、ZrO2具有显著的增强、增韧效果。纳米SiC颗粒均匀包覆在Al2O3、ZrO2纳米粉体中，经烧结过程后，制备出显微结构非常均匀的复相材料，从而使得材料的力学性能得到大幅度的提高。

4.9 纳米粉体在涂料中的应用

根据大量文献可知，纳米复合涂料的研究只是刚刚开始，无论是研究的深度还是广度都有待于拓展。纳米粒子添加于涂料中，使涂料具有抗辐射、抗老化、耐磨耐摩、抗菌或具有某些特殊功能，这种涂料称为纳米复合涂料。纳米颗粒在涂料领域的应用，主要分两个方面，即制备纳米改性涂料和纳米结构涂料[4]。

4.9.1 紫外光固化涂料

紫外光(UV) 固化技术在涂料中的成功应用，开发了紫外光固化涂料(UVCC)，它具有许多传统涂料无法比拟的优点：节省能源，在紫外光固化中不必对基材进行加热，一般紫外光固化能耗为热固化的 1/5；环保，紫外化材料中不含或只含少量溶剂，对环境污染少，故被誉为“绿色技术”；经济，紫外光固化装置简单、紧凑，流水线生产，加工速度快，因而节省场地空间，劳动生产率高，而且紫外光固化工艺保证涂膜更薄，并具有优良的性能，从而减少原材料消耗，有利于降低经济成本。紫外光固化技术由于具有上述优点，在生产应用中显出强大的生命力[7]。

徐国财[8]等人在紫外光固化涂料中添加纳米SiO2，通过高速研磨分散，发现纳米微粒对固化速度、涂膜硬度和涂膜附着力都有影响。研究表明，纳米 SiO2的添加降低了紫外光固化涂料的固化速度，提高了涂膜硬度，且这两方面的影响跟加量成正比关系，但涂膜的附着力影响则有最优添加量，适宜的添加量能提高其附着力。