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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张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附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物理吸附物理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之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第二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附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物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附剂与吸附相
2、之间是以范德瓦耳斯力之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第三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附纳米微粒吸附性特点 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，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、纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质、溶剂的性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性质有关。质以及溶液的性质有关。3 3、电解质和非电解质溶液以及溶液的
3、电解质和非电解质溶液以及溶液的pHpH值等都对纳值等都对纳米微粒的吸附产生强烈的影响。米微粒的吸附产生强烈的影响。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。第四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.1非电解质的吸附一、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面。范德瓦耳斯力、偶极子的弱静电引力吸附在粒子表面。其中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 例如：氧化硅粒
4、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着重要作用。在吸附中起着重要作用。第五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.1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微粒对有机试剂微粒对有机试剂的吸附，如图的吸附，如图4.14.1所示。所示。图图4.1 4.1 在低在低pHpH下
5、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。第六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.1非电解质的吸附三、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附量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也不一样。例如，以直链脂肪酸为吸附相，以苯及正例如，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链脂肪酸己烷溶液为溶剂，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剂时多，这在氧化
6、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。是因为在苯的情况下形成的氢键很少。从水溶液中吸从水溶液中吸附非电解质时，受附非电解质时，受pHpH值影响很大值影响很大，pHpH值高时，氧化硅值高时，氧化硅表面带负电，水的存在使得氢键难以形成，吸附能力下表面带负电，水的存在使得氢键难以形成，吸附能力下降。降。由上述例子可知由上述例子可知第七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.2电解质吸附一、吸附的机理：一、吸附的机理：电解质在溶液中以离子形式存电解质在溶液中以离子形式存在，其吸附能力大小在，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
7、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(例如纳米氧化物，氮例如纳米氧化物，氮化物粒子化物粒子)，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。第八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸
8、附4.1.2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金例如，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，它是有层次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的）。吸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，它的作用是平衡了超微粒子表面的，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性。电性。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
9、，称为 分分散层散层。第九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.2电解质吸附 上上述述两两层层构构成成双双电电层层。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离的的电电位位可可用下式表示：用下式表示：Z Z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，C C为强电解质的摩尔浓度为强电解质的摩尔浓度 ，k k 表表示双电层的扩展程度示双电层的扩展程度1/k1/k称
10、为双电层的厚度由式看出，称为双电层的厚度由式看出，1/k1/k反比于反比于Z Z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。第十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.1吸附4.1.2电解质吸附三、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 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值不同可带正电、值不同可带正电、负电或呈电中性。负电或呈电中性。图图4.2 pH4.2 pH值对氧化物带电状况的值对氧化
11、物带电状况的影响影响pHpH比较小时比较小时，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SiSi，AlAl，TiTi等等)，导致，导致粒子粒子表面带正电表面带正电。pHpH高时高时，粒子表面形成，粒子表面形成MM键，使粒键，使粒子子表面带负电表面带负电。pHpH值处于中间值值处于中间值，则纳米氧化物表面形成，则纳米氧化物表面形成MM键，粒子呈键，粒子呈电中性电中性。第十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散一、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
12、们很容易团聚在一起从而形成带有若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寸较大的团聚体，这给纳米干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。微粒的收集带来很大的困难。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用物理方法或化学方法制备的纳米粒子经常采用常采用分散分散在溶液中进行收集。在溶液中进行收集。第十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散1 1分散机理分散机理：A A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)(1100
13、nm)，由于布朗运动等因素阻止它们沉淀而形，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。由于小微粒之间库成一种悬浮液，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。仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生。B B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)中的团聚体中的团聚体打碎。打碎。C C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。第十三张，PPT共四十
14、七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1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 反絮凝剂的选择可依纳米反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的电解微粒的性质、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双电质作分散剂，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生团层，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。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
15、氧化物如，纳米氧化物SiOSiO2 2，AlAl2 2O O3 3和和TiOTiO2 2等在水中的等在水中的pHpH高低不同高低不同(带正电或负电带正电或负电)，因此可选，因此可选NaNa+，NHNH4 4+或或ClCl-，NONO3 3-异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电层，从而达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。到分散的目的。第十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散B B、加表、加表(界界)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
16、面，形成微胞状态，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。对于磁性纳米微粒，由于能接触，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，加入界面活性剂（如油酸）颗粒之间磁吸引力，很容易团聚，加入界面活性剂（如油酸）使其包裹在磁性粒子表面，造成粒子间排斥作用，避免了团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。聚体的生成。例子例子 如，如，PaPellPaPell在制备在制备FeFe3 3O O4 4的磁
17、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。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。第十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1分散 理论计算理论计算将将RosensWeigRosensWeig从理论上
18、计算了磁性粒子外包裹的油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酸层所引起的排斥能,假设油酸吸附的强磁性微粒之间的关假设油酸吸附的强磁性微粒之间的关系如下图所示系如下图所示图图4.3 4.3 磁性液体中吸附厚度为磁性液体中吸附厚度为的强磁性的强磁性微粒的示意图微粒的示意图(r(r为粒子半径为粒子半径)第十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1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,为吸附层的厚度为吸附层的厚度,h,h为粒间距函为粒间距函数数(h=R/r-2)(h=R/r-
19、2)，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，h h增大。增大。对对 1010，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100(r100(r50)50)。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。第十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.1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4.4 4.4 粒径粒径10nm10nm磁性粒子的电位磁性粒子的电位图图由图看出，粒子之间存在位垒，粒由
20、图看出，粒子之间存在位垒，粒子间若要发生团聚，必须有足够大的引力子间若要发生团聚，必须有足够大的引力才可能使粒子越过势垒，由于磁引力和范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过势垒，因此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。磁性粒子不会团聚。第十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.2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1 1悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳悬浮在溶液中的微粒普遍受到范德瓦耳斯力作用斯力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吸附在小颗粒
21、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度的双电层又有克服范德瓦耳斯力阻止颗粒阻止颗粒团聚团聚的作用。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溶液中离子的化学价第十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.2微粒的团聚二二 、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 半径为半径为r r的两个微粒间的范德瓦耳斯力引起的的两个微粒间的范德瓦耳斯力引起的相互作用势能相互作用势能E Ev v可表示如下可表示如下：上式中，上式中，l l为微粒间距离，为微粒间距离，r
22、r为微粒半径，为微粒半径，A A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近似地表示如下近似地表示如下：上式中，上式中，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第二十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2纳米微粒的分散和团聚4.2.2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L L关系关系 （a a）为定性曲线（）为定性曲线（b b）为）为k k所致曲线的变化。所致曲线的变化。第二十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.2
23、纳米微粒的分散和团聚4.2.2微粒的团聚k k较小时，较小时，E E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。k k较较大时，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，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。由上式得就发生团聚。由上式得EmaxEmax0 0和和(d(ddl)dl)E E Emax Emax 0 0，由，由此求出临界团聚浓度此求出临界团聚浓度式中式中Z Z为原子价，此关系式称为原子价，此关系式称Sch
24、ulze-HardySchulze-Hardy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，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。第二十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学基本概念流体：流体：流体是由大量的、不断地作热运动而且无流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构固定平衡
25、位置的分子构 成的成的,它的它的基本特征是没基本特征是没有一定的形状和具有流动性。有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的流体都有一定的可压缩性可压缩性,液体可压缩性很小液体可压缩性很小,而气体的可压缩性而气体的可压缩性较大。流体的流变形态分为牛顿流体和非牛顿较大。流体的流变形态分为牛顿流体和非牛顿流体流体。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：是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切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。应力与剪切速率之比表示。第二十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学基本概
26、念非牛顿流体：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4.6 4.6 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(牛顿流牛顿流体体)中形成溶胶时，溶胶为非中形成溶胶时，溶胶为非牛顿流体。牛顿流体。第二十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学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张，PPT共四十七页，创作于2022年6
27、月4.3流变学4.3.1典型胶体悬浮液的黏性一、典型的胶体粒子一、典型的胶体粒子通常把乳化聚合制成的各种合成树脂胶乳的球形分散粒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子(0.1um)(0.1um)看成典型的胶体粒子，并对其分散系统进行看成典型的胶体粒子，并对其分散系统进行研究。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，胶乳浓度，胶乳浓度高于高于0.250.2
28、5时，胶乳分时，胶乳分散系统散系统为非牛顿流体为非牛顿流体。当胶乳浓度增加时，约化黏。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度增大，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减小黏度增大。增大。第二十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.1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式来表示，式来表示，即即：为胶乳浓度为胶乳浓度(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2.52.5，为静电引力常数为静电引力常数(约约1.35)1.35)。随胶乳粒径减小黏度的增加是由于粒。
29、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，径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大，MooneyMooney式中式中的变大所致。的变大所致。第二十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.2纳米Al2O3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微粒水微粒水悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该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减薄行为。图图4.7 4.7 不同浓度不同浓度AlAl22OO
30、33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第二十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.2纳米Al2O3悬浮液的黏度v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的凝聚等人指出，剪切减薄行为不能归结为粒子的凝聚作用，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
31、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”悬浮液的布郎悬浮液的布郎运动对黏度的影响进行调查，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极限黏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度和低剪切极限黏度。对于浓度为。对于浓度为50vol50vol（非法定计量单位）粒（非法定计量单位）粒子直径为子直径为150nm150nm的悬浮液高剪切极限黏度是低剪切极限滞度的的悬浮液高剪切极限黏度是低剪切极限滞度的两倍两倍。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，两个极限值的差快速减小两个极限值
32、的差快速减小。第二十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.2纳米Al2O3悬浮液的黏度而图而图4.74.7表明，浓度为表明，浓度为38vol38vol，粒径为约，粒径为约100nm100nm的的 l l悬悬浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的浮液的高剪切黏度是低剪切黏度的三倍三倍。这与。这与KriegerKrieger的结果的结果有矛有矛盾盾。解释解释 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l l悬浮液则不是悬浮液则不是电中性，因此电中性，因此YehYeh和和SacksSacks认为，认为，l l悬浮液行为与悬浮液行为与ri
33、egerrieger调查的调查的悬浮液行为的差别是由于在悬浮液行为的差别是由于在 l l悬浮液中电黏滞效应引起的。悬浮液中电黏滞效应引起的。特别是粒子表面电荷密度和特别是粒子表面电荷密度和etaeta势增大和离子强度及粒径减小时，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，它的影响比布朗运动大得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，从而可能导致在高低剪切速度下黏度变化几个数量级。多，从而可能导致在高低剪切速度下黏度变化几个数量级。第三十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3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
34、晶的还是多晶的，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，块状的还是薄膜状的都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材料，以下简称为磁液。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。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。生一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是取名为
35、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之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。磁液组成的关系图第三十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3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个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长
36、链的高分子(称为表面活性剂称为表面活性剂)，高分子，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。由于基液不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，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、短基、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。二醋基、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，因此真正的到目前为止，由于还未
37、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，本节所论述的磁液是磁性微粒通过界面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。它既具有强磁性，又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，不产生沉淀与具有流动性，在重力，电磁力作用下能长期稳定地存在，不产生沉淀与分层。分层。第三十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度3 3界面活性剂的选用界面活性剂的选用 主要是让相应的磁性微粒能稳定地悬浮在载液中，这对制备
38、主要是让相应的磁性微粒能稳定地悬浮在载液中，这对制备滋液来说是至关重要的，它关系到磁液是否可以制成，其稳定性滋液来说是至关重要的，它关系到磁液是否可以制成，其稳定性是否符合要求等一般可供应用的界面活性剂见下表是否符合要求等一般可供应用的界面活性剂见下表4.14.1第三十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度磁性微粒可以是：磁性微粒可以是：FeFeO O4 4，单一或复合铁氧体、纯铁粉、，单一或复合铁氧体、纯铁粉、纯钴粉、铁纯钴粉、铁钴合金粉、稀土永磁粉等，目前常用钴合金粉、稀土永磁粉等，目前常用FeFeO O4 4粉。粉。4 4载液选用载液选用 载液选
39、用需视所制磁液特点及用途，一般来说，在选用磁液时，载液选用需视所制磁液特点及用途，一般来说，在选用磁液时，应首先考虑载液的种类，其次才是磁液的其它指标，对使用者来说应首先考虑载液的种类，其次才是磁液的其它指标，对使用者来说在具体选用磁液时，可参考表在具体选用磁液时，可参考表4.24.2。第三十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度5 5磁性液体的主要应用磁性液体的主要应用作防尘密封作防尘密封利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在
40、磁场之中密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的而形成磁性液体的“O”O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。在精密仪器的转动部分，处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。在精密仪器的转动部分，如如X X射线衍射仪中的转靶部分的真空、密封，大功率激光器件射线衍射仪中的转靶部分的真空、
41、密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。此外，单晶炉提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封等，磁此外，单晶炉提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封等，磁性液体是较为理想动态密封方式之一。性液体是较为理想动态密封方式之一。第三十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 作新的润滑剂。作新的润滑剂。通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为颗粒尺寸仅为1010单位，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润滑单位，因此，不
42、会损坏轴承，而基液亦可用润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。增进扬声器功率。增进扬声器功率。在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高空气高5656倍，从而使得在相同条件下功率可以增加倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1 1倍。磁性液倍。磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的结体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的结构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响曲构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使
43、扬声器具有较佳的频响曲线。线。第三十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 作阻尼器件作阻尼器件磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望的磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系统中所产生的振荡模式。例如，步进电机是用来将电脉冲转换为精系统中所产生的振荡模式。例如，步进电机是用来将电脉冲转换为精确的机械运动，其特点是迅速地被加速与减速，因此，常导致系统呈确的机械运动，其特点是迅速地被加速与减速，因此，常导致系统呈振荡状态。为了消除振荡而变为平滑的运动，仅需将少量磁性液体注振荡状态。为了消除振荡而变为平滑的运动，仅需将少量磁性
44、液体注入磁极的间隙中，在磁场作用下磁性液体自然地定位于转动部位。下入磁极的间隙中，在磁场作用下磁性液体自然地定位于转动部位。下图为磁性液体阻尼器件。图为磁性液体阻尼器件。第三十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 应用比重不同进行矿物分离应用比重不同进行矿物分离磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大。物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大。利用此原理可以设计出磁性液体比重计，磁性液体对不同比重利用此原理可以设计出磁性
45、液体比重计，磁性液体对不同比重的物体进行比重分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度的物体进行比重分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可以用于矿物值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可以用于矿物分离。例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城分离。例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城市废料中金属与非金属的分离。下图为磁性液体选矿分离示意市废料中金属与非金属的分离。下图为磁性液体选矿分离示意图。图。第三十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 用作磁记录材料用作磁记录材料 近年来各种信
46、息量飞速增加，需要记录的信息量也不近年来各种信息量飞速增加，需要记录的信息量也不断增加，要求记录材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度断增加，要求记录材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，使记录的记录材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，使记录密度大大提高。密度大大提高。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等，不声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等，不再一一列举，今后还可开拓出更多的用途。再一一
47、列举，今后还可开拓出更多的用途。第三十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度二、磁液的黏度二、磁液的黏度 1 1是重要的衡量参数是重要的衡量参数 磁性液体的黏度是衡量磁液的一个重要参数。纳米微粒在磁液中流磁性液体的黏度是衡量磁液的一个重要参数。纳米微粒在磁液中流动性好，磁液黏度低，反之，磁液黏度大。动性好，磁液黏度低，反之，磁液黏度大。影响磁液黏度的因素很多，最重要的是磁液中微粒的体积百分影响磁液黏度的因素很多，最重要的是磁液中微粒的体积百分数、载液的黏度、界面活性剂的性质。数、载液的黏度、界面活性剂的性质。当磁液中含磁性微粒较多时，其黏度与浓度关系可
48、用下式表当磁液中含磁性微粒较多时，其黏度与浓度关系可用下式表示：示：式中，式中，s s为磁液的黏度；为磁液的黏度；0 0为载液的黏度；为载液的黏度；为微粒体积百分数为微粒体积百分数(包括表面吸附包括表面吸附层的厚度层的厚度)；c c为液体失去黏性时的临界浓度。为液体失去黏性时的临界浓度。第四十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 2 2外加磁场对磁液的黏度影响外加磁场对磁液的黏度影响 外加磁场对磁液的黏度有明显的影响。当外加磁场外加磁场对磁液的黏度有明显的影响。当外加磁场平行平行于磁液于磁液的流变方向时，磁液黏度迅速的流变方向时，磁液黏度迅速加大加大。
49、而外加磁场。而外加磁场垂直垂直于磁液流变方于磁液流变方向，磁液的黏度向，磁液的黏度也有提高，但不如前者明显也有提高，但不如前者明显，如下图所示。，如下图所示。图图4.94.9磁液的黏度随磁场的变化。磁液的黏度随磁场的变化。为磁场平行于磁液流变方向；为磁场平行于磁液流变方向；为磁场垂直于磁液流变方向为磁场垂直于磁液流变方向第四十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度在磁场作用下，相对黏度在磁场作用下，相对黏度(磁液黏度磁液黏度 与无磁场时黏度与无磁场时黏度 之比之比)与与 的关系。的关系。是切变率，是切变率，为流体动力学应力，为磁应力。为流体动力学应力，
50、为磁应力。第四十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.3流变学4.3.3磁性液体的黏度 仔细分析，随流体动力学应力的增加或磁应力的减小，相对黏仔细分析，随流体动力学应力的增加或磁应力的减小，相对黏度下降。因此在某种意义上来说磁液的流动性和外加磁场对磁液的度下降。因此在某种意义上来说磁液的流动性和外加磁场对磁液的相对黏度的变化起着重要的作用。一般来说，区域相对黏度的变化起着重要的作用。一般来说，区域1 1为高黏度区，为高黏度区，区域区域2 2为相对黏度迅速衰减区，区域为相对黏度迅速衰减区，区域3 3为低黏度区。为低黏度区。磁性微粒的粒径及其表面吸附界面活性剂的层厚对磁液的流磁性微粒的粒