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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第一页，讲稿共四十七页哦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
2、键强结合第二页，讲稿共四十七页哦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吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯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力之类较弱的物理力结合力之类较弱的物理力结合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第三页，讲稿共四十七页哦4
3、.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、溶剂的性质以及溶液的
4、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值等都值等都值等都值等都对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。对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。第四页，讲稿共四十七页哦4.1吸附4.1
5、.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，它们可通过氢键、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粒子表范德瓦耳斯力、偶极子的弱静电引力吸附在粒子表面。其中面。其中主要是以氢键形成而吸附在其它相上主要是以氢键形成而吸附在其它相上。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过程中氧化硅微粒与有机试剂中间的接触为硅烷醇层，烷醇层，硅烷醇硅烷醇在吸附中起着重要作用。在吸
6、附中起着重要作用。第五页，讲稿共四十七页哦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微粒对有机试微粒对有机试剂的吸附，如图剂的吸附，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。第六页，讲稿共四十七页哦4.1吸附4.1.1
7、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直苯及正己烷溶液为溶剂，
8、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值值高时，氧化硅表面带负电，水的存在使得氢键难以形高时，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。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第七页，讲稿共四十七页哦4.1吸附4.1.2
9、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存在，电解质在溶液中以离子形式存在，其吸附能力大小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物大多数属于物理吸附理吸附。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由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱由于纳米粒子的大的比表面常常产生键的不饱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和性，致使纳米粒子表面失去电中性而带电和性，致使纳米粒子表面失去电中性而带电和性，
10、致使纳米粒子表面失去电中性而带电(例如纳米例如纳米例如纳米例如纳米氧化物，氮化物粒子氧化物，氮化物粒子氧化物，氮化物粒子氧化物，氮化物粒子)，而电解质溶液中往往把带有相反电，而电解质溶液中往往把带有相反电，而电解质溶液中往往把带有相反电，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，这种吸附主要是通过库仑交互作用而实现的。要是通过库仑交互作用而实现的。要是通过库仑交互作用而实现的。要是通过库仑交互作用而实现的。第八
11、页，讲稿共四十七页哦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类例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土类例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土类例如，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，它是有金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它是有金属的电解液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它是有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层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别层次的）。吸附层的电学性质也有很大的差别二、
12、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，称靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为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面的电，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性。性。2 2离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称为离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称为 分散层分散层分散层分散层。第九页，讲稿共四十七页哦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，例例如如把把CuCu离离子子黏黏土
13、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，在在溶溶液液中中任任意意距距离的电位可用下式表示：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 表示双电层的扩展程度表示双电层的扩展程度表示双电层的扩展程度表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看出，称为双电层的厚度由式看出，1/
14、k1/k反反反反比于比于比于比于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。第十页，讲稿共四十七页哦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、氧化铝和二氧纳米氧化物的粒子，如石英、氧化铝和二氧化钛等根据它们在水溶液中的化钛等根据它们在水溶液中的pHpH值不同可带正值
15、不同可带正电、负电或呈电中性。电、负电或呈电中性。图图图图4.2 pH4.2 pH值对氧化物带电状值对氧化物带电状值对氧化物带电状值对氧化物带电状况的影响况的影响况的影响况的影响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)，导致，导致，导致，导致粒子粒子粒子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MM键，使键，使键，使键，使粒子粒子粒子粒子
16、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，则纳米氧化物表面形，则纳米氧化物表面形，则纳米氧化物表面形，则纳米氧化物表面形成成成成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。第十一页，讲稿共四十七页哦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，纳米微粒表面的活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弱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寸较大的团聚体，这给纳米微粒的连接界面的尺寸
17、较大的团聚体，这给纳米微粒的收集带来很大的困难。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用物理方法或化学方法制备的纳米粒子经常采用经常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。第十二页，讲稿共四十七页哦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，当粒径在纳尺寸较大的粒子容易沉淀下来，当粒径在纳米级米级(1100nm)(1100nm)，由于布朗运动等因素阻止它们沉，由于布朗运动等因素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
18、淀而形成一种悬浮液，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微粒之间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生。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)中的团聚中的团聚体打碎。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，从而使小颗粒分散粒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。于分散剂中。第十三页，讲稿共四十七页哦4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1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
19、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，纳米氧化物如，纳米氧化物如，纳米氧化物SiOSiO2
20、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。第十四页，讲稿共四十七页哦4.2纳米微粒的分散和团聚
21、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团聚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，形成微胞状态，由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，使得粒子间不能接触，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。对于磁性纳米微粒，由于颗粒之间磁吸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，加入界面活性剂（如油酸）使其包裹在磁性引力，很容易团聚，
22、加入界面活性剂（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。粒子表面，造成粒子间排斥作用，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的磁性液体时就采用油酸防的磁性液体时就采用油酸防的磁性液体时就采用油酸防止团聚，达到分散的目的。止团聚，达到分散的目的。止团聚，达到分散的目的。止团聚，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庚烷中进行长时间庚烷中进行长时间的球磨，得到约的球磨，得到约10nm
23、10nm的的FeFe3 3O O4 4微粒稳定地分散在微粒稳定地分散在 n n庚烷中的磁庚烷中的磁流体，每个流体，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。第十五页，讲稿共四十七页哦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的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油酸层所引起的排斥能,假设油酸吸附的强磁性微粒之间的假设油酸吸附的强磁性微粒之间的关系如下图所示关系如下图所示图图图图4.3 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
24、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)第十六页，讲稿共四十七页哦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=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
25、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增增增增大。对大。对大。对大。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。第十七页，讲稿共四十七页哦4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散分散图中：VR为立体障碍所致的排斥电位；
26、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磁性粒子的电位磁性粒子的电位磁性粒子的电位磁性粒子的电位图图图图由图看出，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，必须有足够大的子间若要发生团聚，必须有足够大的引力才可能使粒子越过势垒，由于磁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粒子越引力和范德瓦耳斯引力很难使粒子越过势垒，因此磁性粒子不会团聚。过势垒，因此磁性粒子不会团聚。第十八页，讲稿共四十七页哦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一、决定是否团聚的两个因素一、决定是否团聚的两
27、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梯度的双电层又有克服范德瓦耳斯力阻止阻止颗粒团聚颗粒团聚的作用。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液注：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中离子的化学价第十九页，讲稿共四十七页哦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二二二二 、悬浮液中微粒团聚条件的分析
28、、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，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
29、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第二十页，讲稿共四十七页哦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。第二十一页，讲稿共四十七页哦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
30、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。浓度大于临时微粒的浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临时微粒的浓度称为临界团聚浓度。浓度大于临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
31、上式得界浓度时，就发生团聚。由上式得界浓度时，就发生团聚。由上式得界浓度时，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 E0
32、 0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，引起微粒团聚引起微粒团聚引起微粒团聚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。第二十二页，讲稿共四十七页哦4.3流变学基本概念基
33、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且无固定平衡位置的分子构 成的成的,它的它的基本特基本特征是没有一定的形状和具有流动性。征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体和非牛顿流体。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 成正比的流成正比的流体体。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
34、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。第二十三页，讲稿共四十七页哦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稀流体。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。胀流体的流体，但塑性流体具有屈服值。胀流体 属于属于剪切变稠的流体。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粒分散在分散剂(牛顿牛顿流体流体)中形成溶胶时，溶胶为中形成溶胶时，溶胶为非牛顿流体。
35、非牛顿流体。第二十四页，讲稿共四十七页哦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第二十五页，讲稿共四十七页哦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散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粒子(0.1um)(0.1um)看成典型的胶体粒子，并对其分散系统进看成典型的胶体粒子，并对其分散系统进行研究。行研究。二、黏性研究二、黏性研究二、黏性研究二、黏性研究 SaundersSaunders研究了单分散聚苯乙烯胶乳的
36、浓度对黏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，胶乳时，胶乳分散系统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，胶乳时，胶乳分散系统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。当胶乳浓度增加时，约化黏度增大，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减化黏度增大，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减小黏度增大。小黏度增大。第二十六页，讲稿共四十七页哦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 胶乳浓度胶乳浓度 与相对黏度关系可用与相对黏度关系
37、可用MooneyMooney式来表示，式来表示，即即：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。随胶乳粒径减小黏度的增。随胶乳粒径减小黏度的增。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，胶乳间静电引加是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引加是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引加是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间
38、静电引力增大，力增大，力增大，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。第二十七页，讲稿共四十七页哦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，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该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剪切减薄行为。图图图图4.7 4.7 不同浓度不同浓度不同浓度不同浓度AlAl2 2OO33微粒的悬浮液的黏微粒的悬浮液的
39、黏微粒的悬浮液的黏微粒的悬浮液的黏度与剪切速度的关系度与剪切速度的关系度与剪切速度的关系度与剪切速度的关系第二十八页，讲稿共四十七页哦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致，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散的，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，因此，YehYeh和和SacksSacks等人指出，剪切减薄行为不能归结为粒子等人指出，剪切减薄行为不能归结为粒子的凝聚作用，的凝
40、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”悬浮液的布悬浮液的布郎运动对黏度的影响进行调查，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切观察到剪切减薄行为及高剪切观察到剪切减薄行为及高剪切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极限黏度和低剪切极限黏度极限黏度和低剪切极限黏度极限黏度和低剪切极限黏度。对于浓度为。对于浓度为50vol50vol（非法定计（非法定计量单位）粒子直径
41、为量单位）粒子直径为150nm150nm的悬浮液高剪切极限黏度是低剪的悬浮液高剪切极限黏度是低剪切极限滞度的切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，两个两个两个两个极限值的差快速减小极限值的差快速减小极限值的差快速减小极限值的差快速减小。第二十九页，讲稿共四十七页哦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，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
42、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的的的的结果结果结果结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悬浮液则悬浮液则悬浮液则悬浮液则不是电中性，因此不是电中性，因此不是电中性，因此不是电中性，因此YehYeh和和和和SacksSacks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riegerr
43、ieger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悬浮液中电黏悬浮液中电黏悬浮液中电黏悬浮液中电黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和etaeta势增大和离子势增大和离子势增大和离子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很重要，强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得很重要，强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得很重要，强度及粒径减小时，电黏滞效应对黏度的影响变得很
44、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它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高低剪切速它的影响比布朗运动大得多，从而可能导致在高低剪切速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度下黏度变化几个数量级度下黏度变化几个数量级度下黏度变化几个数量级。第三十页，讲稿共四十七页哦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晶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，晶态的还是非晶态的，块状的还是的，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
45、态，而本节所论述的却是液态磁性材料，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。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
46、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，能在基液中作无规则的热运动。磁液组成的关系图磁液组成的关系图第三十一页，讲稿共四十七页哦4.3流变学4.3.3磁性液
47、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，产生沉积，每个磁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，产生沉积，每个磁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，产生沉积，每个磁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微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂称为表面活性剂称为表面活性剂称为表面活性剂)，高分子的链要
48、足够，高分子的链要足够，高分子的链要足够，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。由于基液不同，可生成生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液不同，可生成生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中。由于基液不同，可生成生化学吸附，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
49、应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、二醋基、聚不同性能、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。苯基、硅油基、氟碳基等。苯基、硅油基、氟碳基等。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，因此真到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，因此真到目前为止，由于还未发现居里温度高过熔点的材料，因此真到目前为止，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
50、论述的磁液是磁性微粒通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定胶体体系。它既具有强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，电磁力作用下能长期稳定地存在，不磁性，又具有流动性，在重力，电磁力作用下能长期稳定地存在，不磁性，又具有流动性，在重力，电磁力作用