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1、关于关于纳米微粒的化学米微粒的化学特性特性现在学习的是第1页，共47页4.1吸附吸附的概念吸附的概念吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象吸附的分类吸附的分类物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力之类较弱的物理力结合之类较弱的物理力结合之类较弱的物理力结合之类较弱的物理力结合吸附剂与吸附相之间是以化学键强结吸附剂与吸附相之间是以化学键强结吸附剂与吸附相之间是以化学键强结吸附剂与吸附相之间是以化学键
2、强结合合合合现在学习的是第2页，共47页4.1吸附吸附的概念吸附的概念吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象吸附的分类吸附的分类物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力之类较弱的物理力结合斯力之类较弱的物理力结合斯力之类较弱的物理力结合斯力之类较弱的物理力结合吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合现在学习的是第3页
3、，共47页4.1吸附纳米微粒吸附性特点纳米微粒吸附性特点 1 1 1 1、纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不足，纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不足，纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不足，纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不足，与相同材质的大块材料相比较，有较强的吸附性。与相同材质的大块材料相比较，有较强的吸附性。与相同材质的大块材料相比较，有较强的吸附性。与相同材质的大块材料相比较，有较强的吸附性。2 2 2 2、纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶剂的性
4、质以及溶液的性质有关。剂的性质以及溶液的性质有关。剂的性质以及溶液的性质有关。剂的性质以及溶液的性质有关。3 3 3 3、电解质和非电解质溶液以及溶液的电解质和非电解质溶液以及溶液的电解质和非电解质溶液以及溶液的电解质和非电解质溶液以及溶液的pHpHpHpH值等都对值等都对值等都对值等都对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。纳米微粒的吸附产生强烈的影响。纳米微粒的吸附产生强烈的影响。纳米微粒的吸附产生强烈的影响。4 4 4 4、不同种类的纳米微粒吸附性质有很大差别不同种类的纳米微粒吸附性质有很大差别不同种类的纳米微粒吸附性质有很大差别不同种类的纳米微粒吸附性质有很大差别。现在学习的是第4页，共47页
5、4.1吸附4.1.1非电解质的吸附非电解质的吸附一、概念一、概念一、概念一、概念 非电解质是指电中性的分子，它们可通过氢非电解质是指电中性的分子，它们可通过氢键、范德瓦耳斯力、偶极子的弱静电引力吸附在键、范德瓦耳斯力、偶极子的弱静电引力吸附在粒子表面。其中粒子表面。其中主要是以氢键形成而吸附在其它主要是以氢键形成而吸附在其它相上相上。二、吸附的典型例子二、吸附的典型例子二、吸附的典型例子二、吸附的典型例子 例如：氧化硅粒子对醇、酰胺、醚的吸附过程例如：氧化硅粒子对醇、酰胺、醚的吸附过程中氧化硅微粒与有机试剂中间的接触为硅烷醇层，中氧化硅微粒与有机试剂中间的接触为硅烷醇层，硅烷醇硅烷醇在吸附中起
6、着重要作用。在吸附中起着重要作用。现在学习的是第5页，共47页4.1吸附4.1.1非电解质的吸附非电解质的吸附作用机制：作用机制：上述有机试剂中的或上述有机试剂中的或N N与硅烷醇的羟基与硅烷醇的羟基(OH(OH基基)中的中的H H形成形成OHOH或或NHNH氢键，从而完成氢键，从而完成SiOSiO2 2微粒对有机微粒对有机试剂的吸附，如图试剂的吸附，如图4.14.1所示。所示。图图图图4.1 4.1 在低在低在低在低pHpH下吸附于氧化硅表面的醇、酰胺、醚分子下吸附于氧化硅表面的醇、酰胺、醚分子下吸附于氧化硅表面的醇、酰胺、醚分子下吸附于氧化硅表面的醇、酰胺、醚分子。现在学习的是第6页，共4
7、7页4.1吸附4.1.1非电解质的吸附非电解质的吸附三、影响吸附的因素三、影响吸附的因素三、影响吸附的因素三、影响吸附的因素受粒子表面性质的影响受粒子表面性质的影响受粒子表面性质的影响受粒子表面性质的影响受吸附相的性质影响受吸附相的性质影响受吸附相的性质影响受吸附相的性质影响说明说明 ：即使吸附相是相同的，但由于溶剂种类不同吸即使吸附相是相同的，但由于溶剂种类不同吸即使吸附相是相同的，但由于溶剂种类不同吸即使吸附相是相同的，但由于溶剂种类不同吸附量也不一样附量也不一样附量也不一样附量也不一样。例如，以直链脂肪酸为吸附相，以例如，以直链脂肪酸为吸附相，以苯及正己烷溶液为溶剂，结果以正己烷为溶剂时
8、直苯及正己烷溶液为溶剂，结果以正己烷为溶剂时直链脂肪酸在氧化硅微粒表面上的吸附量比以苯为溶链脂肪酸在氧化硅微粒表面上的吸附量比以苯为溶剂时多，这是因为在苯的情况下形成的氢键很少。剂时多，这是因为在苯的情况下形成的氢键很少。从水溶液中吸附非电解质时，受从水溶液中吸附非电解质时，受从水溶液中吸附非电解质时，受从水溶液中吸附非电解质时，受pHpH值影响很大值影响很大值影响很大值影响很大，pHpH值高时，氧化硅表面带负电，水的存在使得氢键难以值高时，氧化硅表面带负电，水的存在使得氢键难以形成，吸附能力下降。形成，吸附能力下降。由上述例子可知由上述例子可知由上述例子可知由上述例子可知现在学习的是第7页，
9、共47页4.1吸附4.1.2电解质吸附电解质吸附一、吸附的机理：一、吸附的机理：一、吸附的机理：一、吸附的机理：电解质在溶液中以离子形式电解质在溶液中以离子形式存在，其吸附能力大小存在，其吸附能力大小由库仑力来决定由库仑力来决定。纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象纳米微粒在电解质溶液中的吸附现象大多数属于大多数属于物理吸附物理吸附。1 1缘由缘由：由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱和性，由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱和性，由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱和性，由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱和性，致使纳米粒子表面失去电中性而带电致使纳米粒子表面失去电中性而带电致使
10、纳米粒子表面失去电中性而带电致使纳米粒子表面失去电中性而带电(例如纳米氧化物，氮例如纳米氧化物，氮例如纳米氧化物，氮例如纳米氧化物，氮化物粒子化物粒子化物粒子化物粒子)，而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离，而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离，而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离，而电解质溶液中往往把带有相反电荷的离子吸引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附主要子吸引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附主要子吸引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附主要子吸引到表面上以平衡其表面上的电荷，这种吸附主要是通过库仑交互作用而实现的。是通过库仑交互作用而实现的。是通过库仑交互作用而实现的。是通
11、过库仑交互作用而实现的。现在学习的是第8页，共47页4.1吸附4.1.2电解质吸附电解质吸附2 2实例列举实例列举：例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土类金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它类金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它类金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它类金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它是有层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别是有层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别是有层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别是有层次的）。吸
12、附层的电学性质也有很大的差别二、吸附层的电学性质二、吸附层的电学性质二、吸附层的电学性质二、吸附层的电学性质1 1靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为称为紧密层紧密层紧密层紧密层，它的作用是平衡了超微粒子表，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性。面的电性。2 2离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称为为 分散层分散层分散层分散层。现在学习的是第9页，共47页4.1吸附4.1.2电解质吸附电解质吸附 上上述述两两层层构构成成双双双双电电电电层层层层。双双电电层层中中电电位位分分布布可可用用一一表表示示式式来来表表明明
13、，例例如如把把CuCu离离子子黏黏土土粒粒子子之之间间吸吸附附当当作作强强电电解解质质吸吸附附来来计计算算，以以粒粒子子表表面面为为原原点点，在在溶溶液中任意距离的电位可用下式表示：液中任意距离的电位可用下式表示：Z Z为原子价，为原子价，为原子价，为原子价，N N为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，C C为强电解质的摩尔浓度为强电解质的摩尔浓度为强电解质的摩尔浓度为强电解质的摩尔浓度 ，k k 表表表表示双电层的扩展程度示双电层的扩展程度示双电层的扩展程度示双电层的扩展程度1/k1/k称为双电层的厚度由式看出，称为双电层的厚度由式看出，称为双电层的厚度由式
14、看出，称为双电层的厚度由式看出，1/k1/k反比于反比于反比于反比于Z Z和和和和C C1/21/2，这表明高价离子、高电解质浓度下，双电层很薄。，这表明高价离子、高电解质浓度下，双电层很薄。，这表明高价离子、高电解质浓度下，双电层很薄。，这表明高价离子、高电解质浓度下，双电层很薄。现在学习的是第10页，共47页4.1吸附4.1.2电解质吸附电解质吸附三、纳米氧化物随三、纳米氧化物随三、纳米氧化物随三、纳米氧化物随pHpH值可带不同的电荷值可带不同的电荷值可带不同的电荷值可带不同的电荷 纳米氧化物的粒子，如石英、氧化铝和纳米氧化物的粒子，如石英、氧化铝和二氧化钛等根据它们在水溶液中的二氧化钛等
15、根据它们在水溶液中的pHpH值不值不同可带正电、负电或呈电中性。同可带正电、负电或呈电中性。图图图图4.2 pH4.2 pH值对氧化物带电状况值对氧化物带电状况值对氧化物带电状况值对氧化物带电状况的影响的影响的影响的影响pHpH比较小时比较小时比较小时比较小时，粒子表面形成，粒子表面形成，粒子表面形成，粒子表面形成MM2 2(M(M代表金属离子，如代表金属离子，如代表金属离子，如代表金属离子，如SiSi，AlAl，TiTi等等等等)，导，导，导，导致粒子致粒子致粒子致粒子表面带正电表面带正电表面带正电表面带正电。pHpH高时高时高时高时，粒子表面形成，粒子表面形成，粒子表面形成，粒子表面形成M
16、M键，使粒键，使粒键，使粒键，使粒子子子子表面带负电表面带负电表面带负电表面带负电。pHpH值处于中间值值处于中间值值处于中间值值处于中间值，则纳米氧化物表面，则纳米氧化物表面，则纳米氧化物表面，则纳米氧化物表面形成形成形成形成MM键，粒子呈键，粒子呈键，粒子呈键，粒子呈电中性电中性电中性电中性。现在学习的是第11页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散一、面临的问题一、面临的问题一、面临的问题一、面临的问题 在纳米微粒制备过程中，纳米微粒表面的在纳米微粒制备过程中，纳米微粒表面的活性使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干活性使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺
17、寸较大的团聚体，这给纳米微粒弱连接界面的尺寸较大的团聚体，这给纳米微粒的收集带来很大的困难。的收集带来很大的困难。二、解决的方案二、解决的方案二、解决的方案二、解决的方案 用物理方法或化学方法制备的纳米粒子经常用物理方法或化学方法制备的纳米粒子经常采用采用分散分散分散分散在溶液中进行收集。在溶液中进行收集。现在学习的是第12页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散1 1分散机理分散机理：A A现象现象现象现象 尺寸较大的粒子容易沉淀下来，当粒径在纳米尺寸较大的粒子容易沉淀下来，当粒径在纳米级级(1100nm)(1100nm)，由于布朗运动等因素阻止它们沉淀而，由于布朗运动等因素
18、阻止它们沉淀而形成一种悬浮液，纳米微粒称为胶体。由于小微粒之形成一种悬浮液，纳米微粒称为胶体。由于小微粒之间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生。间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生。B B方法方法方法方法 通常用超声波将分散剂通常用超声波将分散剂(水或有机试剂水或有机试剂)中的团中的团聚体打碎。聚体打碎。C C原理原理原理原理 其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分之间的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分散剂中。散剂中。现在学习的是第13页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1
19、分散分散2 2防止小颗粒团聚采用的方法防止小颗粒团聚采用的方法：A A、加入反絮凝剂形成双电层、加入反絮凝剂形成双电层、加入反絮凝剂形成双电层、加入反絮凝剂形成双电层 反絮凝剂的选择可依反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的纳米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的电解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成电解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发双电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。生团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。例子例子 如，纳米氧化物如，
20、纳米氧化物如，纳米氧化物如，纳米氧化物SiOSiO2 2，AlAl2 2O O3 3和和和和TiOTiO2 2等在水中等在水中等在水中等在水中的的的的pHpHpHpH高低不同高低不同高低不同高低不同(带正电或负电带正电或负电带正电或负电带正电或负电)，因此可选，因此可选，因此可选，因此可选NaNa+，NHNH4 4+或或或或ClCl-，NONO3 3-异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电层，从而达到分散的目的。层，从而达到分散的目的。层，从而达到分散的目的。层，从而达到分散的目的
21、。现在学习的是第14页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散B B B B、加表、加表、加表、加表(界界界界)面活性剂包裹微粒面活性剂包裹微粒面活性剂包裹微粒面活性剂包裹微粒 为了防止分散的纳米粒子为了防止分散的纳米粒子团聚也可加入表面活性剂，使其吸附在粒子表面，形成团聚也可加入表面活性剂，使其吸附在粒子表面，形成微胞状态，由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，微胞状态，由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，使得粒子间不能接触，从而防止团聚体的产生。对于磁使得粒子间不能接触，从而防止团聚体的产生。对于磁性纳米微粒，由于颗粒之间磁吸引力，很容易团聚，加性纳米微粒，由于颗粒之间
22、磁吸引力，很容易团聚，加入界面活性剂（如油酸）使其包裹在磁性粒子表面，造入界面活性剂（如油酸）使其包裹在磁性粒子表面，造成粒子间排斥作用，避免了团聚体的生成。成粒子间排斥作用，避免了团聚体的生成。例子例子 如，如，如，如，PaPellPaPell在制备在制备在制备在制备FeFe3 3O O4 4的磁性液体时就采用油酸防止团的磁性液体时就采用油酸防止团的磁性液体时就采用油酸防止团的磁性液体时就采用油酸防止团聚，达到分散的目的。聚，达到分散的目的。聚，达到分散的目的。聚，达到分散的目的。方法方法方法方法将约将约3030 mm的的FeFe3 3O O4 4粒子放人油酸和粒子放人油酸和n n庚烷中进行
23、长时间的庚烷中进行长时间的球磨，得到约球磨，得到约10nm10nm的的FeFe3 3O O4 4微粒稳定地分散在微粒稳定地分散在 n n庚烷中的磁流庚烷中的磁流体，每个体，每个FeFe3 3O O4 4微粒均包裹了一层油酸。微粒均包裹了一层油酸。现在学习的是第15页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散 理论计算理论计算理论计算理论计算将将RosensWeigRosensWeig从理论上计算了磁性粒子外包裹从理论上计算了磁性粒子外包裹的油酸层所引起的排斥能的油酸层所引起的排斥能,假设油酸吸附的强磁性微粒之假设油酸吸附的强磁性微粒之间的关系如下图所示间的关系如下图所示图图图图4.
24、3 4.3 磁性液体中吸附厚度为磁性液体中吸附厚度为磁性液体中吸附厚度为磁性液体中吸附厚度为的强磁性微的强磁性微的强磁性微的强磁性微粒的示意图粒的示意图粒的示意图粒的示意图(r(r(r(r为粒子半径为粒子半径为粒子半径为粒子半径)现在学习的是第16页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散那么排斥能量那么排斥能量V V可表示成可表示成 其中其中其中其中N N为单位体积的吸附分子数为单位体积的吸附分子数为单位体积的吸附分子数为单位体积的吸附分子数,为吸附层的厚度为吸附层的厚度为吸附层的厚度为吸附层的厚度,h,h为粒间距为粒间距为粒间距为粒间距函数函数函数函数(h=R/r-2)(h=
25、R/r-2)，当粒子接触时，当粒子接触时，当粒子接触时，当粒子接触时，h h0 0，随粒子分离距离加大，随粒子分离距离加大，随粒子分离距离加大，随粒子分离距离加大，h h增大。对增大。对增大。对增大。对 1010，吸附分子数为，吸附分子数为，吸附分子数为，吸附分子数为3.33.3 10141014，磁性粒子直径为，磁性粒子直径为，磁性粒子直径为，磁性粒子直径为100(r100(r50)50)。我们给出其电位与。我们给出其电位与。我们给出其电位与。我们给出其电位与h h（粒间距函数）的关系。（粒间距函数）的关系。（粒间距函数）的关系。（粒间距函数）的关系。现在学习的是第17页，共47页4.2纳米
26、微粒的分散和团聚4.2.1分散分散图中：VR为立体障碍所致的排斥电位；VA为范德瓦耳斯力所致引力；VN为磁引力图图图图4.4 4.4 粒径粒径粒径粒径10nm10nm磁性粒子的电位图磁性粒子的电位图磁性粒子的电位图磁性粒子的电位图由图看出，粒子之间存在位垒，粒由图看出，粒子之间存在位垒，粒子间若要发生团聚，必须有足够大子间若要发生团聚，必须有足够大的引力才可能使粒子越过势垒，由的引力才可能使粒子越过势垒，由于磁引力和范德瓦耳斯引力很难使于磁引力和范德瓦耳斯引力很难使粒子越过势垒，因此磁性粒子不会粒子越过势垒，因此磁性粒子不会团聚。团聚。现在学习的是第18页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4
27、.2.2微粒的团聚微粒的团聚一、决定是否团聚的两个因素一、决定是否团聚的两个因素一、决定是否团聚的两个因素一、决定是否团聚的两个因素1 1悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳斯力悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳斯力作用作用很容易发生团聚很容易发生团聚；2 2吸附在小颗粒表面形成的具有一定电位梯度吸附在小颗粒表面形成的具有一定电位梯度的双电层又有克服范德瓦耳斯力的双电层又有克服范德瓦耳斯力阻止颗粒团阻止颗粒团聚聚的作用。的作用。注：讨论团聚时必须考虑悬浮液中电介质的浓度和溶注：讨论团聚时必须考虑悬浮液中电介质的浓度和溶液中离子的化学价液中离子的化学价现在学习的是第19页，共47页4.2纳米微粒的
28、分散和团聚4.2.2微粒的团聚微粒的团聚二二二二 、悬浮液中微粒团聚条件的分析、悬浮液中微粒团聚条件的分析、悬浮液中微粒团聚条件的分析、悬浮液中微粒团聚条件的分析 半径为半径为r r的两个微粒间的范德瓦耳斯力的两个微粒间的范德瓦耳斯力引起的相互作用势能引起的相互作用势能E Ev v可表示如下可表示如下：上式中，上式中，上式中，上式中，l l为微粒间距离，为微粒间距离，为微粒间距离，为微粒间距离，r r为微粒半径，为微粒半径，为微粒半径，为微粒半径，A A为常数为常数为常数为常数 电二重层间相互作用势能电二重层间相互作用势能E E0 0近似地表示近似地表示如下如下：上式中，上式中，上式中，上式中
29、，为溶液的介电常数，为溶液的介电常数，为溶液的介电常数，为溶液的介电常数，0 0为粒子的表面电位为粒子的表面电位为粒子的表面电位为粒子的表面电位现在学习的是第20页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.2微粒的团聚微粒的团聚 两微粒间总的相互作用能为两微粒间总的相互作用能为：图图图图4.5 4.5 粒子间的相互作用能与粒间距粒子间的相互作用能与粒间距粒子间的相互作用能与粒间距粒子间的相互作用能与粒间距L L关系关系关系关系 （a a）为定性曲线（）为定性曲线（）为定性曲线（）为定性曲线（b b）为）为）为）为k k所致曲线的变化。所致曲线的变化。所致曲线的变化。所致曲线的变化。现在学习的
30、是第21页，共47页4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.2微粒的团聚微粒的团聚k k较小时，较小时，较小时，较小时，E E有最大值有最大值有最大值有最大值,由于能垒的障碍，团聚的速度很慢。由于能垒的障碍，团聚的速度很慢。由于能垒的障碍，团聚的速度很慢。由于能垒的障碍，团聚的速度很慢。k k较大时，较大时，较大时，较大时，E E没有最大值，团聚易发生且速度高。因此把没有最大值，团聚易发生且速度高。因此把没有最大值，团聚易发生且速度高。因此把没有最大值，团聚易发生且速度高。因此把EmaxEmax0 0时微粒的浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临界浓度时微粒的浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临界浓度时微粒的
31、浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临界浓度时微粒的浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临界浓度时，就发生团聚。由上式得时，就发生团聚。由上式得时，就发生团聚。由上式得时，就发生团聚。由上式得EmaxEmax0 0和和和和(d(ddl)dl)E E Emax Emax 0 0，由此求出临界团聚浓度，由此求出临界团聚浓度，由此求出临界团聚浓度，由此求出临界团聚浓度式中式中式中式中Z Z为原子价，此关系式称为原子价，此关系式称为原子价，此关系式称为原子价，此关系式称Schulze-HardySchulze-Hardy定律，其精确表示式为定律，其精确表示式为定律，其精确表示式为定律，其精确表示式为：上两式之间的
32、差别是由于上两式之间的差别是由于上两式之间的差别是由于上两式之间的差别是由于E E00的表示式是一个近似表示式，而导致两式不同。由上述结果表明，的表示式是一个近似表示式，而导致两式不同。由上述结果表明，的表示式是一个近似表示式，而导致两式不同。由上述结果表明，的表示式是一个近似表示式，而导致两式不同。由上述结果表明，引起微粒团聚的最小电介质浓度反比于溶液中离子的化学价的六次方，与离子的种类无关引起微粒团聚的最小电介质浓度反比于溶液中离子的化学价的六次方，与离子的种类无关引起微粒团聚的最小电介质浓度反比于溶液中离子的化学价的六次方，与离子的种类无关引起微粒团聚的最小电介质浓度反比于溶液中离子的化
33、学价的六次方，与离子的种类无关。现在学习的是第22页，共47页4.3流变学基本概念基本概念流体流体流体流体：流体是由大量的、不断地作热运动而且流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构无固定平衡位置的分子构 成的成的,它的它的基本特征基本特征是没有一定的形状和具有流动性。是没有一定的形状和具有流动性。流体都有流体都有一定的可压缩性一定的可压缩性,液体可压缩性很小液体可压缩性很小,而气体的而气体的可压缩性较大。流体的流变形态分为牛顿流体和可压缩性较大。流体的流变形态分为牛顿流体和非牛顿流体非牛顿流体。牛顿流体牛顿流体牛顿流体牛顿流体：剪切应力剪切应力 与剪切速率与剪切速率 成正比的
34、成正比的流体流体。黏度黏度黏度黏度：是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力与剪切速率之比表示。的剪切应力与剪切速率之比表示。现在学习的是第23页，共47页4.3流变学基本概念基本概念非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体：包括假塑性流体、塑性流体和胀包括假塑性流体、塑性流体和胀流体。假塑性流体和塑性流体都属于剪切变流体。假塑性流体和塑性流体都属于剪切变稀的流体，但塑性流体具有屈服值。胀流体稀的流体，但塑性流体具有屈服值。胀流体 属于剪切变稠的流体。属于剪切变稠的流体。图图图图4.6 4.6 流体的行为流体的行为流体的行为流体的行为当微粒分散在分散剂当微
35、粒分散在分散剂(牛顿流牛顿流体体)中形成溶胶时，溶胶为中形成溶胶时，溶胶为非牛顿流体。非牛顿流体。现在学习的是第24页，共47页4.3流变学流体框架流体框架流体牛顿流体非牛顿流体假塑性流体胀流体塑性流体现在学习的是第25页，共47页4.3流变学4.3.1典型胶体悬浮液的黏性典型胶体悬浮液的黏性一、典型的胶体粒子一、典型的胶体粒子一、典型的胶体粒子一、典型的胶体粒子通常把乳化聚合制成的各种合成树脂胶乳的球形分通常把乳化聚合制成的各种合成树脂胶乳的球形分散粒子散粒子(0.1um)(0.1um)看成典型的胶体粒子，并对其分散看成典型的胶体粒子，并对其分散系统进行研究。系统进行研究。二、黏性研究二、黏
36、性研究二、黏性研究二、黏性研究 SaundersSaunders研究了单分散聚苯乙烯胶乳的浓度对研究了单分散聚苯乙烯胶乳的浓度对黏度的影响发现胶乳浓度黏度的影响发现胶乳浓度(体积分数体积分数)低于低于低于低于0.250.25时，时，胶乳分散系统胶乳分散系统为牛顿流体为牛顿流体为牛顿流体为牛顿流体，胶乳浓度，胶乳浓度高于高于0.250.25时，胶时，胶乳分散系统乳分散系统为非牛顿流体为非牛顿流体。当胶乳浓度增加时，约化。当胶乳浓度增加时，约化黏度增大，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减小黏度黏度增大，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减小黏度增大。增大。现在学习的是第26页，共47页4.3流变学4.3.1
37、典型胶体悬浮液的黏性典型胶体悬浮液的黏性 胶乳浓度胶乳浓度 与相对黏度关系可用与相对黏度关系可用MooneyMooney式来表式来表示，即示，即：为胶乳浓度为胶乳浓度为胶乳浓度为胶乳浓度(体积分数体积分数体积分数体积分数)，为粒子的形状因子，等于，为粒子的形状因子，等于，为粒子的形状因子，等于，为粒子的形状因子，等于2.52.5，为静电引力常数，为静电引力常数，为静电引力常数，为静电引力常数(约约约约1.35)1.35)。随胶乳粒径减小黏度的增加是。随胶乳粒径减小黏度的增加是。随胶乳粒径减小黏度的增加是。随胶乳粒径减小黏度的增加是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大，由于粒径愈小，
38、胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大，由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大，由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大，MooneyMooney式中的变大所致。式中的变大所致。式中的变大所致。式中的变大所致。现在学习的是第27页，共47页4.3流变学4.3.2纳米纳米Al2O3悬浮液的黏度悬浮液的黏度 下图所示为不同粒径下，不同浓度下图所示为不同粒径下，不同浓度l l微粒微粒水悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该水悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该种悬浮液呈现出黏度随剪切速度增加而减小的剪切减种悬浮液呈现出黏度随剪切速度增加而减小的剪切减薄行为薄行为。图图图图
39、4.7 4.7 不同浓度不同浓度不同浓度不同浓度AlAl22OO33微粒的悬浮液的微粒的悬浮液的微粒的悬浮液的微粒的悬浮液的黏度与剪切速度的关系黏度与剪切速度的关系黏度与剪切速度的关系黏度与剪切速度的关系现在学习的是第28页，共47页4.3流变学4.3.2纳米纳米Al2O3悬浮液的黏度悬浮液的黏度v研究者关于悬浮液行为的分析：研究者关于悬浮液行为的分析：1 1、过去通常认为剪切减薄行为是由粒子的凝聚作用所过去通常认为剪切减薄行为是由粒子的凝聚作用所致，但电动力学实验结果表明，悬浮液中的粒子是非常分致，但电动力学实验结果表明，悬浮液中的粒子是非常分散的，因此，散的，因此，YehYeh和和Sack
40、sSacks等人指出，剪切减薄行为不能归结为等人指出，剪切减薄行为不能归结为粒子的凝聚作用，粒子的凝聚作用，而是由布朗运动和电黏滞效应引起的。而是由布朗运动和电黏滞效应引起的。而是由布朗运动和电黏滞效应引起的。而是由布朗运动和电黏滞效应引起的。2 2、KriegerKrieger等人曾对单分散胶乳粒子等人曾对单分散胶乳粒子“中性稳定中性稳定”悬浮液的悬浮液的布郎运动对黏度的影响进行调查，布郎运动对黏度的影响进行调查，观察到剪切减薄行为及高剪观察到剪切减薄行为及高剪观察到剪切减薄行为及高剪观察到剪切减薄行为及高剪切极限黏度和低剪切极限黏度切极限黏度和低剪切极限黏度切极限黏度和低剪切极限黏度切极限
41、黏度和低剪切极限黏度。对于浓度为。对于浓度为50vol50vol（非法定（非法定计量单位）粒子直径为计量单位）粒子直径为150nm150nm的悬浮液高剪切极限黏度是低剪切的悬浮液高剪切极限黏度是低剪切极限滞度的极限滞度的两倍两倍两倍两倍。随着浓度减小和粒子直径的增加，。随着浓度减小和粒子直径的增加，两个极两个极两个极两个极限值的差快速减小限值的差快速减小限值的差快速减小限值的差快速减小。现在学习的是第29页，共47页4.3流变学4.3.2纳米纳米Al2O3悬浮液的黏度悬浮液的黏度而图而图而图而图4.74.7表明，浓度为表明，浓度为表明，浓度为表明，浓度为38vol38vol，粒径为约，粒径为约
42、，粒径为约，粒径为约100nm100nm的的的的 l l悬浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的悬浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的悬浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的悬浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的三倍三倍三倍三倍。这与。这与。这与。这与KriegerKrieger的结的结的结的结果果果果有矛盾有矛盾有矛盾有矛盾。解释解释解释解释 由于由于由于由于KriegerKrieger调查的悬浮液是电中性的，而调查的悬浮液是电中性的，而调查的悬浮液是电中性的，而调查的悬浮液是电中性的，而l l悬浮悬浮悬浮悬浮液则不是电中性，因此液则不是电中性，因此液则不是电中性，因此液则不是电中性，因此YehYeh和和和和Sacks
43、Sacks认为，认为，认为，认为，l l悬浮液行为与悬浮液行为与悬浮液行为与悬浮液行为与riegerrieger调查的悬浮液行为的差别是由于在调查的悬浮液行为的差别是由于在调查的悬浮液行为的差别是由于在调查的悬浮液行为的差别是由于在 l l悬浮液中电悬浮液中电悬浮液中电悬浮液中电黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和etaeta势增大势增大势增大势增大和离子强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得和离子强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得和离子强度及粒径减小时，
44、电黏滞效应对黏度的影响变得和离子强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得很重要，它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高很重要，它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高很重要，它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高很重要，它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高低剪切速度下黏度变化几个数量级低剪切速度下黏度变化几个数量级低剪切速度下黏度变化几个数量级低剪切速度下黏度变化几个数量级。现在学习的是第30页，共47页4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度磁性液体的黏度 在前面各节所述的磁性材料中，不论它是单晶的还是多在前面各节所述的磁性材料中，不论它是单晶的还是多晶的，金属的还是氧化物的
45、，晶态的还是非晶态的，块状的晶的，金属的还是氧化物的，晶态的还是非晶态的，块状的还是薄膜状的都属固体状态，而本节所论述的却是液态磁性还是薄膜状的都属固体状态，而本节所论述的却是液态磁性材料，以下简称为磁液。材料，以下简称为磁液。一、磁液的基本知识一、磁液的基本知识一、磁液的基本知识一、磁液的基本知识 1 1磁性液体的概念磁性液体的概念 在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于
46、是取名为磁性液体。生成起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是取名为磁性液体。生成起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是取名为磁性液体。生成起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是取名为磁性液体。生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，以致可以削弱磁偶极矩磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，以致可以削弱磁偶极矩磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，以致可以削弱磁偶极矩磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，以致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。之间的静磁作用，能在基液中
47、作无规则的热运动。磁液组成的关系图磁液组成的关系图现在学习的是第31页，共47页4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度磁性液体的黏度 2 2表（界）面活性剂存在的必要性表（界）面活性剂存在的必要性为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子积，每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子积，每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子积，每个磁性微颗粒
48、的表面必需化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性称为表面活性称为表面活性称为表面活性剂剂剂剂)，高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力。此外，链的一，高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力。此外，链的一，高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力。此外，链的一，高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力。此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液端应和磁性颗粒产生化学吸
49、附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，到
50、目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，因此真正的液态强磁性材料尚在探索之中，本节所论述的磁因此真正的液态强磁性材料尚在探索之中，本节所论述的磁因此真正的液态强磁性材料尚在探索之中，本节所论述的磁因此真正的液态强磁性材料尚在探索之中，本节所论述的磁液是磁性微粒通过界面活性剂高度分散于载液中而构成的稳液是磁性微粒通过界面活性剂高度分散于载液中而构成的稳液是磁性微粒通过界面活性剂高度分散于载液中而构成的稳液是磁性微粒通过界面活性剂高度分散于载液中而构成的稳定胶体体系。它既具有强磁性，又具有流动性，在重力，电定胶体体系。它既具有强磁性，又具有流动性，在重力，电定胶体体系。它既具有强磁性，又具有