納米微粒的特性

納米微粒的特性第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五1.非電解質(zhì)的吸附

非電解質(zhì)是指電中性的分子，它們可通過氫鍵、范德瓦耳斯力、偶極子的弱靜電引力吸附在粒子表面。其中主要是以氫鍵形成而吸附在其它相上。例如，氧化硅粒子對醇、酰胺、醚的吸附過程中氧化硅微粒與有機試劑中間的接觸為硅烷醇層，硅烷醇在吸附中起著重要作用。上述有機試劑中的Ｏ或N與硅烷醇的羥基(OH基)中的H形成0—H或N—H氫鍵，從而完成SIO2微粒對有機試劑的吸附，如圖1所示。第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五影響吸附的兩大因素：

1、受粒子表面性質(zhì)的影響；

2、受吸附相的性質(zhì)影響。

即使吸附相是相同的，但由于溶劑種類不同吸附量也不一樣。例如，以直鏈脂肪酸為吸附相，以苯及正己烷溶液為溶劑，結(jié)果以正己烷為溶劑時直鏈脂肪酸在氧化硅微粒表面上的吸附量比以苯為溶劑時多，這是因為在苯的情況下形成的氫鍵很少。從水溶液中吸附非電解質(zhì)時，pH值影響很大，pH值高時，氧化硅表面帶負(fù)電，水的存在使得氫鍵難以形成，吸附能力下降。第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

電解質(zhì)在溶液中以離子形式存在，其吸附能力大小由庫侖力來決定，納米微粒在電解質(zhì)溶液中的吸附現(xiàn)象大多數(shù)屬于物理吸附。緊密層：靠近納米微粒表面的一層屬于強物理吸附，稱為緊密層，它的作用是平衡了超微粒子表面的電性分散層：離超微粒子稍遠(yuǎn)的離子形成較弱吸附層，稱為分散層。

由于納米粒子的大的比表面常常產(chǎn)生鍵的不飽和性，致使納米粒子表面失去電中性而帶電(例如納米氧化物，氮化物粒子)，而電解質(zhì)溶液中往往把帶有相反電荷的離子吸引到表面上以平衡其表面上的電荷，這種吸附主要是通過庫侖交互作用而實現(xiàn)的。例如，納米尺寸的黏土小顆粒在堿或堿土類金屬的電解液中的吸附（這是一種物理吸附過程，它是有層次）。吸附層的電學(xué)性質(zhì)也有很大的差別．2.電解質(zhì)的吸附第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五二.納米微粒的分散與團聚１.分散現(xiàn)實問題：

在納米微粒制備過程中，納米微粒表面的活性使它們很容易團聚在一起從而形成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團聚體，這給納米微粒的收集帶來很大的困難。解決辦法：用物理方法（或化學(xué)方法）制備的納米粒子經(jīng)常采用分散在溶液中進行收集。尺寸較大的粒子容易沉淀下來．當(dāng)粒徑達(dá)納米級(1—100nm)，由于布朗運動等因素阻止它們沉淀而形成一種懸浮液(水溶膠或有機溶膠)。這種分散物系又稱作膠體物系，納米微粒稱為膠體。即使在這種情況下，由于小微粒之間庫侖力或范德瓦耳斯力團聚現(xiàn)象仍可能發(fā)生。如果團聚一旦發(fā)生，通常用超聲波將分散劑(水或有機試劑)中的團聚體打碎。其原理是由于超聲頻振蕩破壞了團聚體中小微粒之間的庫侖力或范德瓦耳斯力，從而使小顆粒分散于分散劑中。第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五為防止小顆粒團聚可采取的幾種措施：

a、加入反絮凝劑形成雙電層

反絮凝劑的選擇可依納米微粒的性質(zhì)、帶電類型等來定。即：選擇適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)作分散劑，使納米粒子表面吸引異電離子形成雙電層，通過雙電層之間庫侖排斥作用使粒子之間發(fā)生團聚的引力大大降低，實現(xiàn)納米微粒分散的目的。例如，納米氧化物SiO2，Al2O3和TiO2等在水中的pH高低不同(帶正電或負(fù)電)，因此可選Na+，NH4+或Cl-，NO3-異電離子作反絮凝劑，使微粒表面形成雙電層，從而達(dá)到分散的目的。

b、加表(界)面活性劑包裹微粒

為了防止分散的納米粒子團聚也可加入表面活性劑，使其吸附在粒子表面，形成微胞狀態(tài)，由于活性劑的存在而產(chǎn)生了粒子間的排斥力，使得粒子間不能接觸，從而防止團聚體的產(chǎn)生。對于磁性納米微粒，由于顆粒之間磁吸引力，很容易團聚，加入界面活性劑（如油酸）使其包裹在磁性粒子表面，造成粒子間排斥作用，避免了團聚體的生成。第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五三、流變學(xué)流體牛頓流體非牛頓流體假塑性流體脹流體塑性流體第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

1.基本概念流體：流體是由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的,它的基本特征是沒有一定的形狀和具有流動性。流體都有一定的可壓縮性,液體可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大。流體的流變形態(tài)分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體：剪切應(yīng)力τ與剪切速率成正比的流體。

非牛頓流體：包括假塑性流體、塑性流體和脹流體。假塑性流體和塑性流體都屬于剪切變稀的流體，但塑性流體具有屈服值。脹流體屬于剪切變稠的流體。黏度η：是流體內(nèi)部抵抗流動的阻力，用對流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之比表示。

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ηred為膠乳濃度(體積分?jǐn)?shù))，Φ為粒子的形狀因子，等于2.5，Ｋ為靜電引力常數(shù)(約1.35)。隨膠乳粒徑減小黏度的增加是由于粒徑愈小，膠乳比表面增大，膠乳間靜電引力增大，Mooney式中的Ｋ變大所致。

納米球形粒子顆粒的表面積與直徑平方成比例，其體積與直徑的立方成正比，即隨著顆粒直徑變小，比表面積會顯著增大。假設(shè)原子間距為0.3nm，表面原子僅占一層，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。

第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五３.納米Ａl２Ｏ３懸浮液的黏度

下圖所示為不同粒徑下，不同濃度Ａl２Ｏ３微粒水懸浮液

的黏度隨剪切速率變化曲線?？梢钥闯觯摲N懸浮液呈現(xiàn)出黏度隨剪切速度增加而減小的剪切減薄行為。

第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五幾位科學(xué)家關(guān)于懸浮液行為的分析：

a、過去通常認(rèn)為剪切減薄行為是由粒子的凝聚作用所致，但電動力學(xué)實驗結(jié)果表明，懸浮液中的粒子是非常分散的，因此，Yeh和Sacks等人指出，剪切減薄行為不能歸結(jié)為粒子的凝聚作用，而是由布朗運動和電黏滯效應(yīng)引起的。

b、Krieger等人曾對單分散膠乳粒子的“中性穩(wěn)定”懸浮液的布郎運動對黏度的影響進行調(diào)查，觀察到剪切減薄行為及高剪切極限黏度和低剪切極限黏度。對于濃度為50vol％（非法定計量單位）粒子直徑為150nm的懸浮液高剪切極限黏度是低剪切極限滯度的兩倍。隨著濃度減小和粒子直徑的增加，兩個極限值的差快速減小。第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

而上圖表明，濃度為38vol％，粒徑為約100nm的Ａl２Ｏ３懸浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的三倍。這與Krieger的結(jié)果有矛盾。

由于Ｋrieger調(diào)查的懸浮液是電中性的，而Ａl２Ｏ３懸浮液則不是電中性，因此Yeh和Sacks認(rèn)為，Ａl２Ｏ３懸浮液行為與Ｋrieger調(diào)查的懸浮液行為的差別是由于在Ａl２Ｏ３懸浮液中電黏滯效應(yīng)引起的。特別是粒子表面電荷密度和Ｚeta勢增大和離子強度及粒徑減小時，電黏滯效應(yīng)對黏度的影響變得很重要，它的影響比布朗運動大得多，從而可能導(dǎo)致在高低剪切速度下黏度變化幾個數(shù)量級。第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五３.磁性液體的黏度

在前面各節(jié)所述的磁性材料中，不論它是單晶的還是多晶的，金屬的還是氧化物的，晶態(tài)的還是非晶態(tài)的，塊狀的還是薄膜狀的都屬固體狀態(tài)，而本節(jié)所論述的卻是液態(tài)磁性材料，以下簡稱為磁液。㈠磁液的基本知識

a.“磁性液體”的由來

1963年，美國國家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的Fe3O4微顆粒上(直徑約l0nm)并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動，因此，好像整個液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件是強磁性顆粒要足夠小，以致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運動。第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

b.表（界）面活性劑存在的必要性

為了防止顆粒間由于靜磁與電偶矩的相互作用而聚集成團，產(chǎn)生沉積，每個磁性微顆粒的表面必需化學(xué)吸附一層長鏈的高分子(稱為表面活性劑)，高分子的鏈要足夠長，以致顆粒接近時排斥力應(yīng)大于吸引力。此外，鏈的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生化學(xué)吸附，另一端應(yīng)和基液親和，分散于基液中。由于基液不同，可生成不同性能、不同應(yīng)用領(lǐng)域的磁性液體，如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。

到目前為止，由于還未發(fā)現(xiàn)居里溫度高過熔點的材料，因此真正的液態(tài)強磁性材料尚在探索之中，本節(jié)所論述的磁液是磁性微粒通過界面活性劑高度分散于載液中而構(gòu)成的穩(wěn)定膠體體系。它既具有強磁性，又具有流動性，在重力，電磁力作用下能長期穩(wěn)定地存在，不產(chǎn)生沉淀與分層。第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

c、界面活性劑的選用主要是讓相應(yīng)的磁性微粒能穩(wěn)定地懸浮在載液中，這對制備滋液來說是至關(guān)重要的，它關(guān)系到磁液是否可以制成，其穩(wěn)定性是否符合要求等．一般可供應(yīng)用的界面活性劑見下表第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五d.磁性液體的主要應(yīng)用

①作防塵密封

利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場分布，從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)，且沒有磨損，可、以做到長壽命的動態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。此外，在電子計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。

在精密儀器的轉(zhuǎn)動部分，如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空、密封，大功率激光器件的轉(zhuǎn)動部件，甚至機械人的活動部件亦采用磁性液體密封法。此外，單晶爐提拉部位、真空加熱爐等有關(guān)部件的密封等，磁性液體是較為理想動態(tài)密封方式之一。

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磁性液體是具有強磁性的液態(tài)納米材料。它由強磁性材料微粉(Fe3O4

粉、Fe-Co粉等)和一種液體(如水、油或脂等)再加上少量表面活性劑，在特定的工藝條件下制成穩(wěn)定的膠體溶液。

在本圖中，磁性液體受到外磁場的影響，在磁場力的作用下，磁性液體團聚在一起并隨外磁場變化而運動。如左圖磁液爬坡

，在傾斜的玻璃管內(nèi)裝有磁性液體。玻璃管底部裝有一排7個電磁鐵，通過交替通斷電，使線圈中磁場變化，控制磁性液體的運動。第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五②作新的潤滑劑。

通常潤滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10單位，因此，不會損壞軸承，而基液亦可用潤滑油，只要采用合適的磁場就可以將磁性潤滑油約束在所需的部位。

③增進揚聲器功率。在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高5~6倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。磁性液體的添加對頻響曲線的低頻部分影響較大，通常根據(jù)揚聲器的結(jié)構(gòu)，選用合適粘滯性的磁性液體，可使揚聲器具有較佳的頻響曲線。第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

④作阻尼器件

磁性液體具有一定的粘滯性，利用此特性可以阻尼掉不希

望的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振蕩模式。例如，步進電機是用來將電脈

沖轉(zhuǎn)換為精確的機械運動，其特點是迅速地被加速與減速，因此，常導(dǎo)致系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài)。為了消除振蕩而變?yōu)槠交倪\

動，僅需將少量磁性液體注入磁極的間隙中，在磁場作用下磁

性液體自然地定位于轉(zhuǎn)動部位。下圖為磁性液體阻尼器件。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

⑤應(yīng)用比重不同進行礦物分離

磁性液體被磁化后相當(dāng)于增加磁壓力，以致在磁性液體中的物體將會浮起，好像磁性液體的視在密度隨著磁場增加而增大。利用此原理可以設(shè)計出磁性液體比重計，磁性液體對不同比重的物體進行比重分離，控制合適的磁場強度可以使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可以用于礦物分離。例如，使高密度的金與低密度的砂石分離，亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離。下圖為磁性液體選礦分離示意圖。第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

⑥用作磁記錄材料

近年來各種信息量飛速增加，需要記錄的信息量也不斷增加，要求記錄材料高性能化，特別是記錄高密度化。高記錄密度的記錄材料與超微粒有密切的關(guān)系。若以超微粒作記錄單元，使記錄密度大大提高。

磁性液體還有其他許多用途，如儀器儀表中的阻尼器、無聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機、醫(yī)療中的造影劑等等，不再一一列舉，今后還可開拓出更多的用途。

第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五（二）磁液的黏度

磁性液體的黏度是衡量磁液的一個重要參數(shù)。納米微粒在磁液中流動性好，磁液黏度低，反之，磁液黏度大。影響磁液黏度的因素很多，最重要的是磁液中微粒的體積百分?jǐn)?shù)、載液的黏度、界面活性劑的性質(zhì)。當(dāng)磁液中含磁性微粒較多時，其黏度與濃度關(guān)系可用下式表示：

式中，ηs為磁液的黏度；η０為載液的黏度；Φ為微粒體積百分?jǐn)?shù)(包括表面吸附層的厚度)；Φc為液體失去黏性時的臨界濃度。

第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

仔細(xì)分析，隨流體動力學(xué)應(yīng)力的增加或磁應(yīng)力的減小，相對黏度下降。因此在某種意義上來說磁液的流動性和外加磁場對磁液的相對黏度的變化起著重要的作用。一般來說，區(qū)域1為高黏度區(qū)，區(qū)域2為相對黏度迅速衰減區(qū)，區(qū)域3為低黏度區(qū)。

磁性微粒的粒徑及其表面吸附界面活性劑的層厚對磁液的流動性影響很大。例如，在區(qū)域2中包含有界面活性劑的粒子的粒徑(d＋２δ)，δ為吸附層厚度，d為無吸附層粒子直徑與磁性粒子直徑之比(d＋２δ)／d＝2.86時，相對黏度ηH/ηS在10－６一10－４；(d＋２δ)／d＝2.22時，在10-6—10-