納米顆粒雜化膜材料的分散、表征方法

成 堅(jiān)王 銘,2樊利民

（1.杭州水處理技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心有限公司，杭州 310012；2.浙江省海水淡化技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：杭州 310012；3.巨化集團(tuán)技術(shù)中心，浙江 衢州 324004）

納米顆粒雜化膜材料是分散相至少有一維尺寸1～100 nm的復(fù)合材料。即分散相在連續(xù)相中達(dá)到納米尺度的分散。20世紀(jì)80年代初由Rustun Roy提出[1]。分散相可以是無(wú)機(jī)粒子、纖維、納米碳管等，連續(xù)相可以是金屬材料、高分子聚合物材料等。由于納米粒子具有納米尺度效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)、大的比表面積以及強(qiáng)的界面相互作用，在非復(fù)合型普通材料中分散納米粒子后，將使其母體材料物性發(fā)生改變，并展現(xiàn)出許多特殊的性能，如光催化、滲透性能、材料力學(xué)/機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性能等。

納米復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)、生物技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛的研究和應(yīng)用。本文就納米顆粒在成膜溶液中的分散控制技術(shù)及其相關(guān)主要分析測(cè)定方法、對(duì)納米顆粒雜化膜材料在膜分離過(guò)程中的應(yīng)用和其主要研究方法等進(jìn)行評(píng)述。

1 納米顆粒雜化膜材料性能影響因素

雖然隨著納米顆粒合成相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在使用含量相對(duì)較低的膠體分散體或粉末狀態(tài)的醫(yī)藥品、化妝品、染料等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在利用納米顆粒作為原材料時(shí)，微粒子的凝集、分散行為的控制，即對(duì)粒子直徑在100 nm以下的納米顆粒的安定分散化控制十分的困難。

由于納米顆粒在不同性質(zhì)的無(wú)機(jī)或有機(jī)溶劑中，顯現(xiàn)不同的分散、團(tuán)聚能力以及異常的吸附能力，而一般來(lái)說(shuō)，納米顆粒在連續(xù)相中的分散狀態(tài)又很大程度上依存于納米顆粒的濃度、溶劑的種類(lèi)、分散劑的種類(lèi)和含量等，因此在納米復(fù)合材料制備過(guò)程中如何有效地防止納米顆粒在應(yīng)用過(guò)程中的團(tuán)聚，進(jìn)而保持納米顆粒在不同的母體聚合物或無(wú)機(jī)物中的分散性能和均勻程度以及其納米尺寸，對(duì)新型納米顆粒雜化膜材料的合成和制備研究有著非常重要的意義，也是納米顆粒雜化膜材料性能研究的前提和基礎(chǔ)。

2 研究納米顆粒分散性的內(nèi)容和方法

納米顆粒的形狀、顆粒群的平均粒徑、粒徑分布、顆粒表面特性等是影響其分散性和以其所制備的納米顆粒雜化膜材料性能的重要因素。

2.1 納米顆粒的形狀

納米顆粒從形狀上大致可以分為表1所示的7大類(lèi)[2]。

對(duì)于理想球形顆粒，顆粒尺寸即為其直徑；對(duì)于不規(guī)則顆粒，尺寸的定位為等當(dāng)直徑，如體積等當(dāng)直徑、投影面積直徑等。顆粒的各種大小的量綱一組合稱(chēng)為形狀指數(shù)，如顆粒的扁平度（短徑/厚度）和伸長(zhǎng)度（長(zhǎng)徑/短徑）。測(cè)得顆粒各種大小和顆粒的體積或面積之間的關(guān)系稱(chēng)為形狀系數(shù)，如無(wú)孔隙理想球形顆粒的表面積形狀系數(shù)為π，體積形狀系數(shù)為π/6。除此之外，也可以用球形度等來(lái)評(píng)價(jià)顆粒的形狀。

表1 納米顆粒的形狀分類(lèi)Tab 1 Shape classification of nanoparticles

2.2 平均粒徑和粒徑分布及其表征方法

納米顆粒群的平均粒徑，比較常用的計(jì)算方法有算術(shù)平均粒徑、幾何平均粒徑等。

2.2.1 計(jì)算

1)算術(shù)平均粒徑：

式中，di為第 i顆粒的粒徑（di-1～di），ni為顆粒數(shù)，wi為第i顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)幾何平均粒徑：

此外，還有等效體積徑(體積球),等效沉速?gòu)?stokes徑)，等效投影面積徑（Feret徑）等數(shù)種顆粒徑評(píng)價(jià)方法。納米顆粒群的粒徑分布通常是指某一粒徑或某一粒徑范圍的顆粒在整個(gè)粉體中占的比例。根據(jù)顆粒群粒徑分布的均一度分為單分散和多分散。

2.2.2 表征

1)SEM/TEM直接觀察法

通常人工合成的納米顆粒是二次顆粒。即為一次顆粒通過(guò)表面力等作用形成的更大的二次顆粒。按照一次顆粒間的結(jié)合類(lèi)型，可分為硬團(tuán)聚和軟團(tuán)聚。對(duì)于由靜電力或范德華力等弱分子間力形成的二次顆粒，可以采用機(jī)械方法等使其達(dá)到分散狀態(tài)后，制成納米粉體觀測(cè)試樣[3]。參見(jiàn)圖1。

圖1 納米顆粒的存在形態(tài)Fig 1 Existing forms of nanoparticles

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）等設(shè)備對(duì)納米顆粒進(jìn)行直接觀察，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法或通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等對(duì)納米顆粒尺寸進(jìn)行評(píng)估。此測(cè)試方法較為直觀，與實(shí)際顆粒度較為吻合，也可以直接觀測(cè)到納米顆粒間是否發(fā)生團(tuán)聚。但因采用機(jī)械分散法時(shí)，在強(qiáng)剪切力作用下納米顆粒解團(tuán)，顆粒間的吸引力仍在存在，解團(tuán)后又重新發(fā)生團(tuán)聚，所以分散效果不是十分理想，粉體顆粒中仍然存在一次顆粒的團(tuán)聚體，影響顆粒尺寸的評(píng)估值。并且由于觀測(cè)試樣并不足以代表整個(gè)試樣，因此缺乏統(tǒng)計(jì)性。

2)比表面積法

如圖2所示樣品A和B。

圖2 團(tuán)聚狀態(tài)的顆粒Fig 2 Agglomeration of particles

作為一次顆粒粒徑來(lái)說(shuō)，樣品B比樣品A要小。但處于部分團(tuán)聚狀態(tài)的二次顆粒粒徑樣品B比樣品A要大。因此對(duì)一次顆粒粒徑需要一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)方法。基于氣體吸附法的比表面積測(cè)定，便是其中之一。假定顆粒為球形的最簡(jiǎn)單模型，在比表面積Sw和顆粒直徑d之間滿(mǎn)足

式中，ρ為密度。

在某些理想情況下，可以通過(guò)測(cè)定比表面積，通過(guò)式(3)來(lái)求得顆粒直徑。納米顆粒的比表面積測(cè)量方法常用為BET多層氣體吸附法，其計(jì)算方法：

式中，p和p0分別為吸附平衡狀態(tài)時(shí)吸附氣體的分壓和吸附氣體的蒸汽壓，V為被吸附氣體的體積，Vm為單分子層吸附氣體的體積，A=(k-1)/(kVm)，B=1/(kVm)，Vm=1/(A+B)。

通過(guò)不同壓強(qiáng)下，氣體吸附量的對(duì)應(yīng)關(guān)系可求得系數(shù)A和B，進(jìn)一步得到Vm。結(jié)合吸附質(zhì)分子的截面積即可計(jì)算出吸附劑納米顆粒的表面積S：

式中，V0為氣體的摩爾體積，N0為阿伏伽德羅數(shù)（6.023×1023mol-1）。

實(shí)際上的顆粒并非球形，大多數(shù)都具有十分復(fù)雜的表面構(gòu)造，因此式(3)并非完全適用。但納米顆粒與較大的顆粒表面構(gòu)造相比大多較為簡(jiǎn)單，嚴(yán)格意義上說(shuō)即使式(3)不適用，比表面積和顆粒粒徑直接也存在一定的相關(guān)性。

3)動(dòng)態(tài)光散色測(cè)定法

SEM/TEM直接觀察法和比表面積法主要是用來(lái)評(píng)估其本身或在連續(xù)相（固相）中納米顆粒尺寸的測(cè)定方法，其基本原理如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)光散色測(cè)定法基本原理Fig 3 The fundamental of dynamic light scattering measurement

動(dòng)態(tài)光散色測(cè)定法是一種主要用于測(cè)定評(píng)估在連續(xù)相（溶媒）中的納米顆粒群尺寸的方法。分散在溶媒中的納米顆粒，由于溶媒分子的熱運(yùn)動(dòng)而作布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)激光照射到這一體系時(shí)，作布朗運(yùn)動(dòng)的納米顆粒而導(dǎo)致光發(fā)生散色，散色光之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光散色強(qiáng)度浮動(dòng)的持續(xù)時(shí)間在微秒～毫秒級(jí)。納米顆粒較小時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)較大，散色光的強(qiáng)度隨時(shí)間變化發(fā)生很大的變動(dòng)。而當(dāng)納米顆粒較大時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)較小，光散色強(qiáng)度的變化也相應(yīng)較小。通過(guò)多點(diǎn)測(cè)定由于擴(kuò)散的納米顆粒類(lèi)型的改變而產(chǎn)生的光散色強(qiáng)度的隨機(jī)浮動(dòng)的自己相關(guān)函數(shù)可以求得光散色強(qiáng)度浮動(dòng)的時(shí)間尺度，即減衰時(shí)間：

式中，G(τ)為自己相關(guān)函數(shù)，τ為延遲時(shí)間，I(t)和I(t+τ)分別為τ和t+τ時(shí)間后檢出的光散亂強(qiáng)度。納米顆粒群分布為單分散時(shí)，光散色強(qiáng)度的自己相關(guān)函數(shù)為單一減衰指數(shù)曲線：

多分散時(shí)，為各顆粒徑的減衰指數(shù)曲線之和：

式中，Γ為減衰定數(shù)。

通過(guò)顆粒的減衰定數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)和流體力學(xué)半徑的關(guān)系可以計(jì)算出納米顆粒的粒徑：

式中，Dt為并進(jìn)擴(kuò)散系數(shù)，q為散色矢量，n為溶媒的折射率，λ為散色光波長(zhǎng)，K為波爾茲曼定數(shù)，T為樣品的絕對(duì)溫度，η為溶媒的粘度，RH為顆粒的流體力學(xué)半徑。

另外，為了抽出通過(guò)間接測(cè)定散色光強(qiáng)度浮動(dòng)的自己相關(guān)函數(shù)所求得的顆粒粒徑分布，擴(kuò)散系數(shù)分布等量值需要非常詳細(xì)的數(shù)學(xué)解析。除了上述幾種表征納米顆粒的測(cè)定方法外，如N Fukuhara等人用 SMPS（Scanning Mobility Particle Sizer）法來(lái)測(cè)定大氣環(huán)境中的納米顆粒粒徑分布[4]，還有顆粒沉降法、X射線衍射儀（XRD）等，這些方法為納米顆粒在濃厚分散溶液、氣相、固相中的顆粒粒徑分布等的測(cè)定提供了便利。另外不同的測(cè)試方法，往往得到不同的結(jié)果，因此在實(shí)際測(cè)試應(yīng)用過(guò)程中，也需要對(duì)測(cè)試儀器以及測(cè)試方法進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

2.3 表面電雙層結(jié)構(gòu)及其表征方法

大多數(shù)分散在溶液中的納米顆粒表面由于自身解離，如—COOH基團(tuán)，晶格取代或晶格缺失，如粘土或礦物等，吸附作用，如吸附溶液中的H+，OH-等，而帶有正或負(fù)離子。顆粒表面為了維持其電中性，會(huì)吸引其反離子。反離子群在顆粒表面散布聚集，形成由帶電顆粒表層和其相反離子固定層，以及外圍擴(kuò)散層組成的擴(kuò)散雙電層構(gòu)造（Diffused electric double layer），見(jiàn)圖 4。

圖4 雙電層結(jié)構(gòu)Fig 4 The structure of double electrode layer

反離子群分布受到熱運(yùn)動(dòng)的影響，表面近端含量較高，隨遠(yuǎn)離表面端距離的增加，反離子含量呈梯度減小。遠(yuǎn)離表面端足夠遠(yuǎn)時(shí)，反離子所帶電荷與該領(lǐng)域的正離子所帶電荷互相抵消，保持電中性。溶液中納米顆粒表面帶電狀態(tài)是決定其分散狀態(tài)的安定性的重要因素。為了對(duì)表面帶電狀態(tài)進(jìn)行量化和測(cè)定，引入ζ電位，也作為顆粒分散安定性評(píng)估的指標(biāo)。由于擴(kuò)散層完全剝離，裸露的顆粒帶電狀態(tài)無(wú)法直接測(cè)定，而隨顆粒一起移動(dòng)的電荷對(duì)顆粒在溶液中的分散行為又有著顯著的影響。因此，實(shí)際上測(cè)定的顆粒表面ζ電位是顆粒最表層與擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)之間的滑動(dòng)面的電位。隨著ζ電位絕對(duì)值的增加，顆粒間的靜電斥力變大，顆粒分散穩(wěn)定性提高。反之，ζ電位絕對(duì)值趨向于0時(shí)，顆粒間發(fā)生團(tuán)聚。

激光多普勒測(cè)定法是測(cè)定顆粒在溶液中表面電位的常用方法。其原理是基于激光照射到顆粒后產(chǎn)生的散色光的頻率變化正比于物體運(yùn)動(dòng)速度的多普勒效應(yīng)（Doppler effect）。通過(guò)測(cè)定顆粒泳動(dòng)速度求得顆粒表面ζ電位。

顆粒泳動(dòng)速度u和多普勒變化量Δv之間：

式中，n為溶媒的折射率，θ為檢出角度。

u和電荷移動(dòng)度（electron mobility）U之間：

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

電荷移動(dòng)度和ζ電位之間，滿(mǎn)足Smoluchowski式：

式中，η為溶媒的粘度，ε為溶媒的介電常數(shù)。

而在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，為排除測(cè)試元件表面帶電所引起的電滲透（electron osmosis）現(xiàn)象的影響，需要對(duì)測(cè)試元件內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，解析出其靜止面（圖5中的虛線所示），得到顆粒表面真實(shí)的電荷移動(dòng)度，求得顆粒表面ζ電位。

圖5 溶液中顆粒表面ζ電位測(cè)試Fig 5 ζ potentiometric determination on particle surface in the solution

3 納米顆粒在（成膜）溶液中的分散方法

顆粒粒徑接近納米級(jí)時(shí)，表現(xiàn)出與次微米級(jí)顆粒不同的粒子表面特性、相互作用等。在團(tuán)聚分散特性上出現(xiàn)異常的舉動(dòng)行為。如H Kamiya等人用Sol-Gel法制備SiO2納米顆粒的粒徑接近數(shù)納米時(shí)，顆粒表面因吸附的溶媒水分子所產(chǎn)生的水合斥力消失[5]。顆粒接近數(shù)納米級(jí)后，即使在相同的表面電位時(shí)，由顆粒表面靜電斥力引起的化學(xué)勢(shì)也會(huì)變小，導(dǎo)致顆粒分散安定化失衡，發(fā)生團(tuán)聚。根據(jù)Woodcock的提案式[6]：

式中，h為顆粒表面間距離，dp為顆粒徑，φ為顆粒體積分?jǐn)?shù)。

近似計(jì)算得顆粒表面間距離與粒徑、粒子含量的關(guān)系：粒子徑為次微米級(jí)時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%～60%時(shí)，顆粒間平均表面距離才會(huì)達(dá)到數(shù)納米級(jí)。而顆粒徑為20 nm時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)20%～30%，平均表面距離已經(jīng)達(dá)到數(shù)納米。一般來(lái)說(shuō)，次微米級(jí)顆粒表面化學(xué)勢(shì)在波爾茲曼定數(shù)與絕對(duì)溫度乘積的10～20倍以上，可以完全分散。粒徑為20 nm的顆粒，則需要數(shù)百毫伏以上的高表面電位才可以達(dá)到完全分散狀態(tài)。而通常的方法，無(wú)法得到如此高的表面電位，因此需要了解納米顆粒在不同分散相中的表面特征，對(duì)顆粒表面進(jìn)行粉碎加工，表面修飾改性等分散處理，達(dá)到所期待的納米級(jí)分散效果。

目前主要的幾種納米顆粒分散處理方法有超聲波分散法和化學(xué)分散法。

3.1 超聲波分散法

超聲波分散法是用來(lái)粉碎、分散處理納米顆粒的比較常見(jiàn)的方法。當(dāng)超聲波傳播到溶液中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高壓區(qū)和低壓區(qū)。當(dāng)超過(guò)其溶媒分子間力到達(dá)低壓狀態(tài)時(shí)，形成空洞。形成的空洞經(jīng)過(guò)如圖6所示的膨脹和收縮的反復(fù)過(guò)程后崩壞破裂時(shí)，會(huì)在微米領(lǐng)域內(nèi)達(dá)到具有微秒級(jí)壽命的高溫、高壓、高速流動(dòng)的極限狀態(tài)。也是超聲波對(duì)納米顆粒粉碎分散作用的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖6 超聲波的空化作用Fig 6 Ultrasonic cavitation

空洞內(nèi)存在水分子、殘存氣體分子，揮發(fā)性化合物在高溫、高壓環(huán)境下熱分解，如水分子：

空洞附近的低蒸汽壓有機(jī)化合物被產(chǎn)生的·OH自由基氧化分解，具有捕捉自由基能力的納米顆粒（如金剛石納米顆粒）其在被粉碎分散化的同時(shí)，親水化能力也有顯著提升。隨著超聲波設(shè)備性能和穩(wěn)定性的提升以及成本降低，其在納米顆粒分散處理，大分子有機(jī)物分解等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

3.2 化學(xué)分散法

使用超聲波分散法、機(jī)械分散法等物理分散方法時(shí)，在強(qiáng)剪切力作用下納米顆粒解團(tuán)的同時(shí)，顆粒間的吸引力仍存在，或因?yàn)樾碌念w粒表面的產(chǎn)生，而具有更大的表面能，導(dǎo)致解團(tuán)后又重新發(fā)生團(tuán)聚。也因?yàn)樵诜鬯榧?xì)化過(guò)程中，團(tuán)聚和解團(tuán)趨于平衡，所以顆粒無(wú)法較好的維持其納米級(jí)分散效果。而采用化學(xué)分散法，在溶液中加入界面活性劑使其在納米顆粒表面吸附或采用可以分裂形成自由基的低、高分子聚合物，使其在納米顆粒表面接枝等，改變顆粒間的相互作用，提高顆粒間的排斥力，防止其發(fā)生團(tuán)聚，較好地保持其穩(wěn)定的納米級(jí)分散效果。因此在納米顆粒分散應(yīng)用中，超聲波通常被用于粉碎細(xì)化納米顆粒，界面活性劑分子則用于維持其相對(duì)較長(zhǎng)的納米分散效果。

3.2.1 界面活性劑顆粒表面改性

界面活性劑由親水基（hydrophilic group）和親油基（hydrophobic group）2部分組成。如脂肪酸鹽的親油基是碳?xì)溟L(zhǎng)鏈，親水基是羧基，見(jiàn)圖7。根據(jù)親水基端的離子基團(tuán)類(lèi)型分為陰離子、陽(yáng)離子、兩性、非極性界面活性劑等。

圖7 界面活性劑構(gòu)造Fig 7 The structure of surfactants

水溶液中界面活性劑的行為如圖8所示。

圖8 水溶液中界面活性劑的行為Fig 8 The behavior of surfactants in solution

I、II階段，界面活性劑分子含量低時(shí)，在空氣和水溶液界面形成單分子膜，而水溶液中不安定界面活性劑分子逐漸增多。III、IV階段，隨著界面活性劑分子含量增大，水溶液中形成活性劑分子集合體，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界膠團(tuán)濃度（CMC）時(shí)，溶液中形成由界面活性劑分子組成的膠團(tuán)，溶液的性質(zhì)發(fā)生很大的改變。界面活性加入量繼續(xù)增大，則會(huì)形成棒狀、層狀、球狀等結(jié)構(gòu)。CMC點(diǎn)也是界面活性劑發(fā)揮其性能的最低必要濃度的指標(biāo)。隨著界面活性劑的加入，界面張力隨之降低，在到達(dá)CMC點(diǎn)后，界面張力幾乎不再發(fā)生變化。

在使用界面活性劑分散處理納米顆粒時(shí)，受到溶液的溫度、界面活性劑的分子結(jié)構(gòu)類(lèi)型、分子鏈長(zhǎng)、親水/親油的程度（HLB）、溶解度等諸多因素的影響，也是影響納米顆粒在溶液中穩(wěn)定性的重要因素。如離子型界面活性劑形成膠團(tuán)時(shí)，其離子間斥力的影響，一般比非離子型界面活性劑的能力弱，CMC值較大。如較為常用的十二烷基磺酸鈉在水中的CMC為8.2 mmol/L，而C12H25O(CH2CH2O)12H在水中的CMC僅為0.09 mmol/L。

圖9為水溶液和油溶液中界面活性劑在納米顆粒周?chē)叫纬蓡蝹€(gè)膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)。

圖9 溶液中的界面活性劑膠團(tuán)結(jié)構(gòu)Fig 9 The structure of surfactant micelle in solution

界面活性劑的親油基從水溶液中逃逸趨勢(shì)，是形成膠團(tuán)的主要驅(qū)動(dòng)力。在水溶液中，顆粒四周界面活性劑分子形成親油基朝內(nèi)，親水基朝外減小界面自由能的定向排布，而在油溶液中，則形成親油基朝外，親水基朝內(nèi)的反定向排布。在納米顆粒周?chē)奈娇梢苑譃橛煞兜氯A力引起的物理吸附和顆粒表面基團(tuán)之間形成共有結(jié)合等的化學(xué)吸附。如硅烷偶聯(lián)劑用于納米顆粒表面改性時(shí)，硅烷偶聯(lián)劑在納米顆粒表面的吸附類(lèi)型就屬于化學(xué)吸附。

在非吸附性高分子溶液中，由于高分子鏈的存在對(duì)納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)有一定限制作用，因而一定程度上可以抑制納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚。但由于溶液滲透壓的作用，所以高分子在顆粒間逐漸難以存在，納米顆粒間會(huì)產(chǎn)生弱團(tuán)聚，分散穩(wěn)定性較差。參見(jiàn)圖10。

定向吸附于納米顆粒周?chē)慕缑婊钚詣┓肿釉谌芤褐械纳煺苟鸬目臻g位阻，界面活性劑分子鏈段中帶有離子基團(tuán)時(shí)，其在溶液中解離后所產(chǎn)生離子基團(tuán)間的靜電斥力和納米顆粒周?chē)碾婋p層效應(yīng)等的共同作用是保持納米顆粒良好納米級(jí)分散性能的決定性因素，也是界面活性劑用于分散處理納米顆粒時(shí)必須要考慮到的問(wèn)題。參見(jiàn)圖11。

圖10 在非吸附性高分子中的顆粒狀態(tài)Fig 10 Nanoparticle morphology in non-adsorptive polymer

圖11 界面活性劑對(duì)納米顆粒的分散作用Fig 11 Effect of surfactants on the dispersion of nanoparticles

如竹原淳彥等人對(duì)典型的陰離子界面活性劑C12H25OSO3Na（SLS）和非離子型界面活性劑C15H25(OC2H4)nOH（POELE）在 α-Al2O3顆粒表面的吸·脫附行為進(jìn)行了研究[7]。結(jié)果表明，根據(jù)2者的吸附形態(tài)的不同，以—OSO3—單點(diǎn)靜電相互作用為主的SLS的吸附親和力要好于以—(OC2H4)n—?dú)滏I作用為主的POELE。

3.2.2 自由基捕捉顆粒表面改性

對(duì)于表面具有自由基捕捉活性能的納米顆粒，如二氧化硅、金剛石、C60、CNT等，可以利用其表面的自由基捕捉效應(yīng)，直接接枝低、高相對(duì)分子質(zhì)量聚合體，或通過(guò)表面自由基活性聚合法控制其表面接枝聚合物鏈段長(zhǎng)度，提高其在溶液中的分散性能，改善納米顆粒與母體材料界面親和性。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)納米顆粒的幾個(gè)基本屬性，以及其在（成膜）溶液中的分散處理的研究?jī)?nèi)容和方法進(jìn)行了介紹和闡述。隨著納米顆粒制備工藝的優(yōu)化，納米顆粒的顆粒度、純度和結(jié)構(gòu)性能得到大幅度地提升，使得其制備而得的納米顆粒雜化膜材料的性能有著突飛猛進(jìn)的提高。

作為納米顆粒雜化膜材料的研究以及其應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，納米顆粒在溶液中的分散性研究必不可少。隨著世界能源短缺，水資源短缺，對(duì)膜分離技術(shù)以及膜分離材料的研究工作也提出了更高的要求，如低能耗比、高選擇分離性、高產(chǎn)水通量、高抗污染性能等。在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水處理、液體分離膜技術(shù)基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究中，有效結(jié)合無(wú)機(jī)納米顆粒的特性和高分子聚合物材料韌性的納米材料復(fù)合膜是一個(gè)熱點(diǎn)。

[1]Roy R,Kpmameni S,Roy D M.Cation2ex-change properties of hydrated cements[J].Master Res Soc Symp,1984,32(2):347-351.

[2]高濂,孫靜,劉陽(yáng)橋.納米粉體的分散及表面改性[J].炭黑工業(yè),2005(4):35.

[3]Hamaker H C.London-der Waals attraction between spbericles spherical[J].Physica,1997,12(4):26-28.

[4]N Fukuhara,K Suzuki,K Takeda,et al.Characterization of encironmental Nanoparticles[J].Appl Surf Sci,2008,255(3):75-79.

[5]H Kamiya,M Mitsui,H Takano,et al.Influence of Particle Diameter on Surface Silanol Structure,Hydration Forces,and Aggregation Behavior of Alkoxide-Derived Silica Particles[J].J Am Ceram Soc,2000,83(2):287-293.

[6]L V Woodcock.Proceeding of a workshop held at Zentrum fur interdisziplinare Forschung University Bielefield[C].Dorfmuller and G Williams,1985:11-13.

[7]竹原淳彥,福崎智司.氧化鋁表面的界面活性劑吸/脫附行為[R].岡山縣工業(yè)技術(shù)中心:33號(hào),2007,46-48.