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微乳化技术在纳米材料制备中的应用研究

时间:2007-1-27栏目:机械论文

一般情况下,我们将两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定的、各向同性、外观透明或半透明、粒径l~100nm的分散体系称为微乳液。相应地把制备微乳液的技术称之为微乳化技术(MET)。自从80年代以来,微乳的理论和应用研究获得了迅速的发展,尤其是90年代以来,微乳应用研究发展更快,在许多技术领域:如三次采油,污水治理,萃取分离,催化,食品,生物医药,化妆品,材料制备,化学反应介质,涂料等领域均具有潜在的应用前景。我国的微乳技术研究始于80年代初期,在理论和应用研究方面也取得了相当的成果。

1982年, Boutonmt首先报道了应用微乳液制备出了纳米颗粒:用水合胼或者氢气还原在W/O型微乳液水核中的贵金属盐,得到了单分散的Pt,Pd,Ru,Ir金属颗粒(3~nm)。从此以后,不断有文献报道用微乳液合成各种纳米粒子。本文从纳米粒子制备的角度出发,论述了微乳反应器的原理、形成与结构,并对微乳液在纳米材料制备领域中的应用状况进行了阐述。

1微乳反应器原理

    在微乳体系中,用来制备纳米粒子的一般是W/O型体系,该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6~C8直链烃或环烷烃;表面活性剂一般有 AOT[2一乙基己基]磺基琥珀酸钠]。AOS、SDS(十二烷基硫酸钠)、SDBS(十六烷基磺酸钠)阴离子表面活性剂、CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)阳离子表面活性剂、TritonX(聚氧乙烯醚类)非离子表面活性剂等;助表面活性剂一般为中等碳链C5~C8的脂肪酸。

    W/O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器(Microreactor)或称为纳米反应器,反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系,若令W=[H2O/[表面活性剂],则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时,粒子形成一般有三种情况(可见图1、2、3所示)。

    (l)将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合,此时由于胶团颗粒间的碰撞,发生了水核内物质的相互交换或物质传递,引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的,不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现,所以水核内粒子尺寸得到了控制,例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。

    (2)一种反应物在增溶的水核内,另一种以水溶液形式(例如水含肼和硼氢化钠水溶液)与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长,产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如,铁,镍,锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。

    (3)一种反应物在增溶的水核内,另一种为气体(如 O2 、 NH3,CO2),将气体通入液相中,充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒,例如,Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al(OH)3胶体粒子时,采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al(OH)3粒子,在实际应用当中,可根据反应特点选用相应的模式。

2微乳反应器的形成及结构

和普通乳状液相比,尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处,即有O/W型和W/O型,其中W/O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系,它的形成是自发的,不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高,并且液滴粒度可控,实验装置简单且操作容易,所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。

2.1微乳液的形成机理

    Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为:油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低,一般为l~10mN/m,但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂,由于产生混合吸附,油/水界面张力迅速降低达10-3~10-5 mN/m ,甚至瞬时负界面张力 Y< 0。但是负界面张力是不存在的,所以体系将自发扩张界面,表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上,直至界面张力恢复为零或微小的正值,这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结,那么总的界面面积将会缩小,复又产生瞬时界面张力,从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲,体系的Gibbs公式可表示为:

          --dγ=∑Гi dui=∑ГiRTdlnCi

    (式中γ为油/水界面张力,Гi为i组分在界面的吸附量,ui为I组分的化学位,Ci为i组分在体相中的浓度)

    上式表明,如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分(Г>0),一般中等碳链的醇具有这一性质,那么体系中液滴的表面张力进一步下降,甚至出现负界面张力现象,从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中,对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外,它们在无需加入助表面活性剂的

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