第1个回答 2016-11-23
摘要：纳米颗粒表面改性，或称为纳米颗粒表面修饰，是纳米颗粒材料制备与应用中的重要应用，也是纳米材料科学与工程领域十分重要的研究内容。近年来，纳米颗粒表面改性已形成了一个研究领域。对纳米颗粒表面改性的研究可以使人们更深入的认识纳米颗粒的基本物理效应，扩大纳米颗粒的应用范围。
关键词：纳米颗粒 表面改性 稳定性 表面涂层
纳米颗粒表面改性，或称为纳米颗粒表面修饰，是纳米颗粒材料制备与应用中的重要应用，也是纳米材料科学与工程领域十分重要的研究内容。纳米颗粒表面改性的研究不仅具有重要的学术意义，而且更具有重要的实用价值。纳米颗粒表面改性的目的一般在于以下几个方面：1、改善或改变纳米颗粒的分散性；2、提高纳米颗粒表面活性；3、使纳米颗粒表面获得新的物理、化学、力学性能及新的功能；4、改善纳米颗粒与其他物质之间的相容性。纳米颗粒表面改性的研究内容主要包括以下三个方面：1、研究纳米颗粒表面特性，以便进行针对性的改性处理。2、在上述测定结果的基础上，对纳米颗粒表面特性进行分析评估。3、根据实际应用，确定纳米颗粒表面改性剂的类型，并通过应用试验和应用性能测试，确定出特定的纳米颗粒表面改性剂和表面改性处理工艺。
制备含有纳米颗粒材料的表面涂层的一个重要途径是把纳米颗粒加入液体介质，形成纳米颗粒/有机溶剂或纳米颗粒/水基溶剂的固体/液体体系，然后利用表面涂覆技术制造出复合涂层。但是，这涉及到的一个关键问题是如何是纳米颗粒稳定的分散在液体介质中。由于纳米颗粒具有的小尺寸效应，即比表面大、表面能高，是的纳米颗粒在空气中和液体介质中发生团聚。若不对其进行分散处理，则团聚的纳米颗粒进入图层中不但起不到改善涂层性能的目的，反而有可能降低涂层性能。对纳米颗粒进行分散处理的最有效途径是对纳米颗粒进行表面改性。通过对纳米颗粒进行适当的表面改性处理，可以改善纳米颗粒与液体介质及其他成分的相容性，保证颗粒性能的发挥。纳米颗粒表面改性技术的发展也大大拓展了其应用领域，促进了其在工业各领域的实际应用。目前，经表面改性处理的纳米颗粒，已经应用于工业化工、日用化工、材料工程、警用装备、电子器件等各领域。
颗粒材料随其粒径减少，比表面积增大，表面能升高。同时，表面原子或离子数的比例也大大提高，因而使其表面活性增加，颗粒之间吸引力增大。外表杂质如水的存在也易引起纳米颗粒团聚。纳米颗粒具有的表面效应和小尺寸效应直接影响纳米颗粒的团聚性。表面效应是纳米颗粒的表面原子占总原子占总原子数的百分比随纳米颗粒尺寸的减少而大幅度增加，从而引起纳米颗粒性质变化。引起纳米颗粒团聚的原因，主要存在于以下几个方面。1、纳米颗粒表面静电荷引力。2、纳米颗粒的高表面能。3、纳米颗粒间的范德华引力。4、纳米颗粒表面的氢键及其他化学键作用。固体颗粒在液体介质中的受力状况非常复杂，除了范德华力和库伦力外，还有溶剂化力、毛细管力、憎水力、水动力等，它们与液体介质直接相关。1、表面吸附：纳米颗粒在液体介质中发生吸附现象，即液体中的某种物质富集与纳米颗粒/液体界面上的现象。因吸附现象的发生而产生一系列很重要的现象，直接影响纳米颗粒在液体介质中的存在行为。表面活性剂在固体界面上的吸附，是一种界面现象，其吸附机理大致可分为以下几种形式：（1）离子交换吸附（2）离子对吸附（3）氢键吸附（4）憎水作用吸附。由于吸附机理的不同导致纳米颗粒在水介质中分散性各异。2、表面电荷；3、表面的Zeta电位
4、液体介质中纳米颗粒的分散问题。由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的比表面能，在制备和后处理过程中极易发生颗粒团聚，使得粒径变大，使其实际应用效果差。因此，将纳米颗粒分散在介质中，制成高稳定性、低黏度的悬浮液体系尤为重要。由于无机颗粒大多为极性物质，且表面多有羟基，因此，此类分散系由极性分散相（无机颗粒）与极性分散介质（水）构成。在一定条件范围内，为提高纳米颗粒在液相中的分散性与稳定性，可采取一定措施。改进纳米颗粒在液相中分散稳定性的途径：1、通过改变分散相及分散介质的性质来使纳米颗粒间的吸引能下降，有利于纳米颗粒的分散。2、调整电解质及定位离子浓度，促使双电层厚度及纳米颗粒表面势能增加，增大纳米颗粒间的排斥能。3、选用吸附力强、与聚合物亲和力大的分散介质，增大纳米颗粒间的排斥能，降低其吸引能。在上述途径中，影响分散体系分散和稳定效果的因素很多，其中关键是要选择合适的分散剂，采用合适的工艺方法与设备使纳米颗粒与分散剂充分混合并分散。通过选择合适的分散剂促进纳米颗粒分散稳定性是目前的研究热点。分散剂中使用最多的是表面活性剂。选用分散剂时，应考虑以下选用原则:1、在一定条件下，尽量选用能提高颗粒间能量势垒的分散剂，以增大颗粒间的斥力，使颗粒充分分散。2、对于氧化物和氢氧化物及含有氧化基团的颗粒，在选用分散剂时，应注意体系pH值对颗粒分散性的影响，根据pH值的范围来确定合适的分散剂。3、在颗粒势垒能量很低的情况下，仅靠加入能提高颗粒间能量势垒的分散剂是不行的，应考虑使用高分子分散剂或非离子型分散剂，利用位阻效应，实现颗粒的均匀分散和稳定性。4、应尽量选用用量小、分散性能高的分散剂，这样既可以减少分散剂对分散产品的污染，又可以减少后续处理量。5、当单一分散剂无法达到理想的分散效果时，可采用复配分散剂来实现。
近几年来，随着纳米颗粒材料制备技术的发展，新的纳米颗粒材料体系不断被开发出来，纳米颗粒材料在工业各领域的应用不断扩大，为此，纳米颗粒表面改性技术方法很多。按照改性原理笼统的划分，纳米颗粒表面改性方法可以分为两大类，即表面物理改性和表面化学改性。按照技术工艺划分，主要可以分为以下六大类:1、表面覆盖修饰，又称为表面活性剂改性。2、局部化学修饰，又称为化学改性。3、机械化学改性。4、外层膜修饰，有成胶囊化改性。5、高能量表面改性。6、沉积反应表面改性，这是目前工业应用最多的颗粒表面改性方法。顾名思义，表面物理改性就是改性物质与纳米颗粒表面不发生化学反应，而好似通过物理的相互作用（范德华力、沉积包覆等）达到改变和改善纳米颗粒表面特性的目的。目前，常用的纳米颗粒表面物理改性方法主要有表面活性剂法和纳米颗粒表面沉积包覆法。纳米颗粒表面化学改性是通过改性剂与纳米颗粒表面之间发生化学反应而改变纳米颗粒表面的结构、化学成分及电化学特性等，达到表面改性的目的。这种改性方法在纳米颗粒表面改性中占有极其重要地位。按照改性剂与纳米颗粒表面之间的化学反应机制及特征，目前，纳米颗粒表面化学改性主要包括偶联剂法、酯化反应法及表面接枝改性法。表面化学改性是目前无机填料所采用的主要表面改性方法。除利用表面官能团改性外，这种方法还包括利用游离基反应、螯合反应以及偶联剂处理等进行表面改性处理。除了上述3种表面化学改性方法，也有研究者采用其他的化学方法对纳米颗粒表面进行改性处理。无机纳米颗粒的表面化学改性受到诸多因素的影响。其主要因素包括：纳米颗粒表面性质；改性剂种类、用量及使用方法；工艺设备及改性工艺等。
随着科技的迅速发展，纳米技术也迅速的应用于很多重要的领域，尤其是某些尖端行业之中。所以，纳米的发展，与我们的生活息息相关，我们应重视纳米技术，为纳米技术的发展做奠基。
参考文献：1、钱苗根主编. 材料表面技术及应用手册. 北京：机械化工出版社，1998
2、徐滨士、刘世参主编. 表面工程技术手册（下）. 化学工业出版社2009.6本回答被提问者采纳