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纳米氧化铝粉体表面修饰方法

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纳米氧化铝是光学单晶、精细陶瓷、精密抛光材料、湿敏性传感器等的重要原料,广泛应用于材料、微电子及宇航工业等高科技领域,具有广阔的应用前景。

   然而由于纳米氧化铝粉体粒子具有高的表面活性和表面能,自身极易团聚,致使其表面能降低,表面活性降低,导致了纳米粒子许多优异的性能丧失。因此,纳米氧化铝粉体粒子优异性能的发挥是以粒子在介质中的分散为前提和基础的,对纳米粉体粒子表面修饰成为必然趋势。

一、纳米氧化铝粉体表面修饰目的

纳米氧化铝粉体经表面改性后,其吸附、润湿、分散等一系列表面性质都将发生变化,有利于颗粒保存、运输及使用。

     通过修饰纳米粒子表面,可以达到以下目的:

1、改善纳米氧化铝粉体的分散性,消除了粒子表面的带电效应,防止了团聚。同时,在粒子之间存在一个势垒,在合成烧结过程中颗粒也不易长大。

2、提高纳米氧化铝粉体粒子的表面活性,为纳米粒子的偶联、接枝创造了条件。

3、改善纳米氧化铝粉体粒子与分散介质之间的相容性,使之与分散介质达到良好的浸润状态。

二、纳米氧化铝粉体表面修饰方法

     目前,根据修饰剂与纳米氧化铝粉体粒子表面的作用机理,可将纳米氧化铝的修饰方法分为表面物理修饰和表面化学修饰。

1、表面物理修饰

    表面物理修饰一般是指利用修饰剂对纳米氧化铝粒子的物理作用,如利用范德华力的吸附、涂覆和包覆等,或指纯粹物理手段对纳米粉体实施表面改性的方法,如超声处理、光电子辐照处理以及热处理和等离子体处理。常见修饰方法有吸附、包覆、光辐射处理等。

(1)吸附

    纳米氧化铝粒子在水溶液中分散性极差,易团聚。使用表面活性剂可以防止纳米粒子的团聚,使其分散更均匀。表面活性剂带有两个极性不同的集团,极性的亲水基团与水相溶,非极性的亲油基吸附到粒子的表面,这样在粒子表面活性剂向外伸展形成粒子束,阻止了颗粒间的相互接触,避免团聚的发生。

(2)包覆

    与吸附方法一样,包覆也是通过范德华力等将异质材料沉积在纳米氧化铝的表面,形成核层为纳米氧化铝,壳层为与氧化铝无化学结合的“核一壳”结构,防止粒子间的团聚,通常包覆量较吸附量更大些。

(3)辐照处理

    辐照技术是用电离辐射与物质相互作用产生的物理化学等效应的一门新技术,利用高能射线与物质相互作用,在短时间内把能量传递给氧化铝,使氧化铝表面发生电离和激发变化,产生各种效应,从而达到氧化铝粒子的改性。例如,紫外处理的纳米氧化铝粉体粒子,分散性能够得到较大程度的改善。

(4)其它方法

    实际上,在纳米粉体分散方面可用到物理修饰方法很多,如表面沉积、表面化学镀等,往往形成氧化铝基的复合材料,提高纳米粒子分散性的同时,也在一定程度上掩盖了纳米粒子本身特性。

2、化学修饰方法

    纳米氧化铝表面残留部分羟基及剩余电荷,利用这种性质可有目的地选择改性剂使之进行化学反应,改变氧化铝表面的结构和状态,达到表面改性的目的。纳米氧化铝表面化学修饰常见的方法有以下几种:偶联剂法、接枝法、接枝一包覆法。

(1)偶联剂法

    纳米氧化铝粒子表面能较高,与表面能比较低的有机体系亲和性差。当两者共混时,容易形成相分离。解决方法通常采用偶联技术。偶联剂一般是双功能基团的化合物,可同时与无机物和有机物反应,当偶联剂处理时,其一端与氧化铝表面的羟基结合,另一端与分散介质作用。常用于纳米氧化铝表面处理的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等。

(2)接枝法

      纳米氧化铝的表面存在活性的羟基,以羟基作为接枝反应的活性点,接枝油溶性基团,接枝物一般为小分子,本质上偶联处理也等同于接枝。该方法优点是接枝的量可以控制,效率较高。常见的接枝小分子有硬脂酸、4,4 - 二苯基甲烷二异氰酸、甲基 - 2,4 - 二异氰酸酯等。

(3)接枝一包覆法

     接枝一包覆法先通过接枝或偶联技术在纳米氧化铝表面形成一层有机物(多为小分子),然后再用引发剂使单体在粒子表面有机层上接枝聚合,最后形成以氧化铝为核,聚合层为壳层的无机一有机“核一壳”式结构。接枝一包覆法的优点是壳层厚度可以通过有机物加入量来控制。

三、小结

    目前,表面修饰在纳米材料的制备、分散和改性等方面受到了广泛的重视,应用的表面修饰剂的种类也越来越多,修饰剂的合成技术也得到了很大的发展。

纳米氧化铝粉体的表面修饰研究主要发展方向为:

(1)研究纳米氧化铝粉体粒子的表面特性,以便有针对性地对其改性;

(2)利用研究的结论对粒子的表面特性进行分析,确定表面修饰剂的类型及处理工艺;

(3)开发新型表面修饰剂。