纳米材料及单分散颗粒制备原理PPT课件.ppt

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1、 第一第一节 精精细化工的定化工的定义与范畴与范畴 如如何何区区别精精细化化学学品品与与专用用化化学学品品，可可归纳成成以以下下六点：六点：(1)(1)精精细化化学学品品多多为单一一化化合合物物，可可用用化化学学式式表表示示其其成成分分，而而专用用化化学学品品很很少少是是单一一的的化化合合物物，常常常常是是若若干干种种化化学学品品组成成的的复配物，通常不能用化学式表示其成分；复配物，通常不能用化学式表示其成分；(2)(2)精精细化化学学品品一一般般为非非最最终使使用用性性产品品，用用途途较广广、专用用化学品的加工度高，化学品的加工度高，为最最终使用性使用性产品，用途品，用途针对性性强；(3)(

2、3)精精细化化学学品品大大体体是是用用一一种种方方法法或或类似似的的方方法法制制造造的的，不不同同厂厂家家的的产品品基基本本上上没没有有差差别，而而专用用化化学学品品的的制制造造，各各生生产厂厂家互不相同，家互不相同，产品有差品有差别，有，有时甚至完全不同；甚至完全不同；1-第一第一节 精精细化工的定化工的定义与范畴与范畴 (4)(4)精精细化化学学品品是是按按其其所所含含的的化化学学成成分分来来销售售的的，而而专用用化化学学品是按其功能品是按其功能销售的；售的；(5)(5)精精细化化学学品品的的生生命命期期相相对较长，而而专用用化化学学品品的的生生命命期期较短，短，产品更新很快；品更新很快；

3、(6)(6)专用用化化学学品品的的附附加加价价值率率、利利润率率更更高高，技技术密密集集性性更更强，更更需需依依靠靠专利利保保护或或对技技术诀窍严加加保保密密，新新产品品的的生生产完完全需依靠本企全需依靠本企业的技的技术开开发。2-第一第一节 精精细化工化工产品的定品的定义 精精细化工化工产品：品：对基基本本化化学学 工工业生生产的的初初级或或次次级化化学学品品进行行深深加加工工而而制制取取的的具具有有特特定定功功能能、特特定定用用途途、小小批批量量、多多品种、附加品种、附加值高、技高、技术密集的一密集的一类化工化工产品。品。具有如下特点：具有如下特点：1.具有特定功能、具有特定功能、专用型用

4、型强而通用性弱；而通用性弱；2.小批量、多品种；小批量、多品种；3.技技术密集度高，密集度高，产品更新品更新换代快，技代快，技术专利性利性强；4.大量采用复配技大量采用复配技术；5.附加附加值高。高。3-第二第二节 精精细化工化工产品分品分类及作用及作用 一一、精精细化化工工不不仅提提供供了了质优的的半半导体体材材料料、磁磁性性材材料料等等，而而且且还提提供供了了大大量量用用于于集集成成电路路加加工工的的超超纯化化学学试剂和和超超纯电子气体。子气体。二二、精精细化化工工对国国防防建建设和和空空间技技术的的发展展起起着着特特别重重要要的作用。的作用。三、开三、开发精精细化工化工产品，可以降低品，

5、可以降低能源消耗和能源消耗和节省省资源。源。四四、开开发精精细化化工工产品品，可可使使原原来来的的低低档档产品品变为高高档档产品品，显著著提提高高经济效效益益，进而而提提高高产品品在在国国际市市场上上的的竞争争能能力力，并并增增加加外外汇收收入入，实现国国民民经济的的良良性性循循环，加加速速现代代化化建建设的速度。的速度。4-第三第三节 精精细化工的化工的发展展趋势 1.无机精无机精细化工的化工的发展展趋势 首首先先，要要立立足足于于本本国国的的丰丰富富的的资源源，积极极发展展系系列列化化、多多规格、多性能、高格、多性能、高质量的量的产品。品。第第二二，注注意意发展展与与信信息息科科学学、生生

6、命命科科学学和和材材料料科科学学有有关关的无机精的无机精细化工化工产品。品。第第三三，注注意意开开发新新的的工工艺技技术，大大力力发掘掘无无机机物物潜潜在在的的特殊功能。特殊功能。第第四四，充充分分认识我我国国是是一一个个农业大大国国，积极极发展展为农业服服务的以及的以及农产品加工工品加工工业需要的无机精需要的无机精细化工化工产品。品。第第五五，面面对现状状，积极极研研制制当当前前急急需需的的产品品，解解决决燃燃眉眉之急，同之急，同时也也为深入深入发展无机精展无机精细化工打好基化工打好基础。5-第三第三节 精精细化工的化工的发展展趋势 2 2当前要当前要优先先发展的关展的关键技技术 (1)(1

7、)新催化技新催化技术 (2)(2)新分离技新分离技术 (3)(3)增效复配技增效复配技术 (4)(4)气气雾剂(CFC)CFC)无无污染替代技染替代技术 (5)(5)生物技生物技术 6-第一篇第一篇 21世世纪的新材料与技的新材料与技术v第第1章章 纳米材料米材料v第第2章章 单分散分散颗粒制粒制备原理原理v第第3章章 界面化学与表面活性界面化学与表面活性剂基基础知知识v第第4章章 溶胶凝胶技溶胶凝胶技术v第第5章章 无机材料仿生合成技无机材料仿生合成技术v第第6章章 微乳化技微乳化技术v第第7章章 外外场作用下的无机合成（制作用下的无机合成（制备）技）技术7-第第1章章 纳米材料米材料v一、

8、一、纳米科技米科技v二、二、纳米材料米材料v三、三、纳米材料的性能米材料的性能v四、四、纳米材料和它米材料和它们的的应用用v五、五、纳米材料与化工冶金米材料与化工冶金8-纳米科技的米科技的发展展v20世世纪60年代年代R.P.Feynman：若从原子和分子水平上控：若从原子和分子水平上控制物制物质，将会出，将会出现新的作用力和新的效新的作用力和新的效应。v日本上田良二提出日本上田良二提出“超微粒子超微粒子结构构”的新概念。的新概念。v70年代年代C.Hayash研究了研究了纳米粉体的性米粉体的性质、生、生产方法及方法及应用，用，诞生了生了“纳米技米技术”。v80年代先后制造了年代先后制造了扫描

9、隧道描隧道显微微镜和原子力和原子力显微微镜，从，从原子和分子水平上操原子和分子水平上操纵物物质。v1990年第一届国年第一届国际纳米科学技米科学技术会会议。v1991年碳年碳纳米管米管v1997年美国成功地移年美国成功地移动了了单个原子个原子。9-纳米科技的研究内容米科技的研究内容v纳米科技是研究由尺寸在米科技是研究由尺寸在0.1100nm之之间的物的物质组成的体系的运成的体系的运动规律和律和相互作用、以及可能的相互作用、以及可能的实际应用中的用中的技技术问题的科学技的科学技术。10-颗粒微粒微细化化过程程11-摆弄原子和分子的科技弄原子和分子的科技v科学科学给了我了我们摆弄弄组成自然最基本的

10、元素成自然最基本的元素原子和分子的工具。每件原子和分子的工具。每件东西都是由它西都是由它们组成的。成的。创造新事物的可能是无限的。造新事物的可能是无限的。v纳米科技是米科技是21世世纪科技科技产业革命的重要内容革命的重要内容之一，是可以与之一，是可以与产业革命相比革命相比拟的，它是高的，它是高度交叉的度交叉的综合性学科。合性学科。12-纳米科技主要包括：米科技主要包括：v纳米体系物理学米体系物理学v纳米化学米化学v纳米材料学米材料学v纳米生物学米生物学v纳米米电子学子学v纳米加工学米加工学v纳米力学米力学13-纳米科技的研究手段米科技的研究手段在在7个分支个分支领域中，以域中，以扫描隧道描隧道

11、显微微镜STM为分析和加分析和加工手段做工作有一半以上。工手段做工作有一半以上。显微微镜的分辨率：的分辨率：光学光学显微微镜 200nm,在极端条件下可到在极端条件下可到110nm，超，超显微微镜可达可达10nm。电子子显微微镜包括透射包括透射电子子显微微镜(TEM)0.5nm、扫描描电子子显微微镜(SEM)6nm，扫描隧道描隧道显微微镜(STM)0.1-0.01nm，可分，可分辨辨单个原子。个原子。还有原子力有原子力显微微镜（AFM)等。等。14-Figure 1:Observation of bacteria cell fission with atom force microscopy(

12、AFM)Yuan S.J.et al.Colloids and Surfaces B-Biointerfaces,2007:59(1),87-99.15-隧道隧道显微微镜(STM)v基本原理利用量子理基本原理利用量子理论中的隧道效中的隧道效应，将，将原子原子线度的极度的极细探探针和被研究物和被研究物质的表面作的表面作为两个两个电极，当极，当试样与与针尖非常接近尖非常接近时（小（小于于1nm)在外加在外加电场作用下，作用下，电子会穿子会穿过两个两个电极之极之间的的势垒，流向另一，流向另一电极，极，这一一现象象即隧道效即隧道效应。待。待测试样应具有一定的具有一定的导电性性才可以才可以产生隧道生隧道

13、电流流。16-Yuan S.J.et al.ACS Applied Materials&Interface,2010:.17-纳米科技的研究米科技的研究领域域v（1）直接安排原子和分子）直接安排原子和分子vIBM两名科学家利用两名科学家利用STM直接操直接操纵原子，在原子，在Ni基板上安排原子基板上安排原子组成成“IBM”字字样。v日本科学家将硅原子堆成日本科学家将硅原子堆成“金字塔金字塔”v英国科学家制造英国科学家制造4nm大小的复大小的复杂分子，具有分子，具有“开开”和和“关关”的特性。的特性。v中国科学家制中国科学家制备的的纳米米铜有超塑延展性，在有超塑延展性，在室温可伸室温可伸长50倍

14、。倍。18-（2）纳米材料具有米材料具有传统材料不具材料不具备的特性的特性v以以传统方式生方式生产的材料在合成的材料在合成时会出会出现粗糙和不粗糙和不规则，并有并有许多缺陷，而多缺陷，而纳米材料米材料则可作得完美无暇，可作得完美无暇，v纳米材料的光、米材料的光、电、磁、磁、热、力学、化学、催化、敏、力学、化学、催化、敏感性等性能明感性等性能明显不同于不同于传统材料。材料。v纳米陶瓷米陶瓷CaF2、TiO2有良好的有良好的韧性，在性，在180度度经受弯曲受弯曲不不产生裂生裂纹。v在硅表面将碳原子按照金在硅表面将碳原子按照金刚石石结构排列，比普通刀构排列，比普通刀锋利利许多倍。多倍。v纳米超薄涂米

15、超薄涂层有只允有只允许一定尺寸分子一定尺寸分子进入，作化学入，作化学传感器探感器探测分子，智能薄膜作分子分子，智能薄膜作分子阶段的物段的物质过滤，处理气体，水理气体，水净化等。化等。19-(3)纳米生物学米生物学v生物大分子的尺度正好落在生物大分子的尺度正好落在纳米范米范围，基因工程、，基因工程、克隆技克隆技术即是在即是在纳米尺度上米尺度上认识生物大分子的精生物大分子的精细结构与功能的构与功能的联系，在此基系，在此基础上上进行裁剪和嫁接，行裁剪和嫁接，制造具有特性功能的生物大分子。制造具有特性功能的生物大分子。v运用运用生物生物纳米技米技术开开发芯片芯片运用生物可以自建有运用生物可以自建有结构

16、的构的“自建自建结构构”能力，利用蛋白能力，利用蛋白质和和DNA等等材料制作材料制作电路。研制运算速度高中央路。研制运算速度高中央处理器，耗理器，耗电量低的量低的记忆元件，开元件，开发计算机芯片，算机芯片，长时间无需充无需充电的笔的笔记本本电脑。20-（4）纳米微机械和机器人。米微机械和机器人。生物生物发动机（分子机（分子马达）达）利用人体内的自然能源（三磷酸腺苷酸）作利用人体内的自然能源（三磷酸腺苷酸）作动力力驱动一个一个带浆叶（叶（750nm长，表面涂，表面涂肽的硅的硅圆柱体）的微型机器。柱体）的微型机器。单分子分子逻辑电路，用碳路，用碳纳米管制成具有有源和无米管制成具有有源和无源两种功能

17、的晶体管，以一个源两种功能的晶体管，以一个单分子分子为基基础设计出出计算机算机电路。路。量子量子电脑，有望成，有望成为硅芯片硅芯片电脑的的终结者。者。摄影胶囊影胶囊21-纳米材料米材料v纳米材料和技米材料和技术是是纳米科技米科技领域富有活域富有活力，研究内涵十分丰富的科学分支，最力，研究内涵十分丰富的科学分支，最接近接近应用的重要用的重要组成部分。成部分。v广广义地，地，纳米材料是指在三米材料是指在三维空空间中至中至少有一少有一维处于于纳米尺度范米尺度范围或由它或由它们作作为基本基本单元构成的材料。元构成的材料。22-1、纳米材料的分米材料的分类（1）零）零维空空间三三维尺度均尺度均为纳米米（

18、2）一）一维指在三指在三维空空间有两有两维处于于纳米尺度米尺度（3）二）二维指在三指在三维空空间有一有一维处于于纳米尺度米尺度（4）三）三维纳米固体，米固体，纳米米组装材料装材料23-2、纳米材料的米材料的发展史展史v第一第一阶段（段（1990年前）在年前）在实验室探索用各种手段制室探索用各种手段制备纳米米颗粒，研究粒，研究评估表征的方法。估表征的方法。v第二第二阶段（段（1994年前），如何利用年前），如何利用纳米材料已挖掘米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合米复合材料。材料。v第三第三阶段（段（1994年到年到现在）在）纳米米组装体系，人

19、工装体系，人工组装合成的装合成的纳米米结构的材料体系。构的材料体系。24-纳米材料的特性米材料的特性v1、基本物理效、基本物理效应（1）尺寸效）尺寸效应 当超微粒子尺寸与当超微粒子尺寸与传导电子德布子德布罗意波意波长（=h/p=h/mv)相当或更小相当或更小时，周期性的，周期性的边界条件将被破坏，非晶界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面米微粒表面层附近原子密度减小，附近原子密度减小，导致性致性质与普通粒与普通粒子不同（子不同（光吸收、磁性、内光吸收、磁性、内压、热阻、化学活性、催阻、化学活性、催化活性、熔点化活性、熔点）。25-（2）界面与表面效）界面与表面效应 纳米粒子由于尺寸小，表面米粒子由

20、于尺寸小，表面积大，大，导致位于致位于表面的原子占有极大的比例，表面原子的表面的原子占有极大的比例，表面原子的活性使活性使纳米粒子具有明米粒子具有明显的表面效的表面效应。比表面比表面积：F=3/r 1/r,若若r=1 m,则 F 104cm-1（1 m2）,若若r=5nm，F 600 m2 比表面原子数：比表面原子数：=4 r2a/(4 r3/3)a/r 1/(r/a),例例 a=0.2nm,r=1nm,20%为表面原子表面原子 a=0.2nm,r=1 m,0.02%为表面原子表面原子26-（3）量子尺寸效）量子尺寸效应 从一个超微粒子取走和放入一个从一个超微粒子取走和放入一个电子都是子都是十

21、分困十分困难的的-久保的久保的纳米粒子米粒子电中性模型。中性模型。当粒子尺寸下降到某一当粒子尺寸下降到某一值时，金属，金属费米能米能级由准由准连续变为离散能离散能级的的现象称象称为量子量子尺寸效尺寸效应。kBTW e2/d =4/3 EF/N V-127-（4）宏）宏观量子隧道效量子隧道效应 纳米粒子具有米粒子具有贯穿穿势垒的能力称的能力称为隧隧道效道效应。一些宏一些宏观量，如微粒的磁化量，如微粒的磁化强度、量度、量子相干器中的磁通量及子相干器中的磁通量及电荷等亦有隧道荷等亦有隧道效效应，这种穿越宏种穿越宏观势垒而而产生的生的变化化称称为宏宏观量子隧道效量子隧道效应（MQT).28-纳米材料的

22、特性米材料的特性v1、奇特的物性、奇特的物性v2、扩散及散及烧结效效应v3、力学性能、力学性能v4、超塑性、超塑性v5、光、光电特性特性29-纳米材料的化工制米材料的化工制备v气相法（气体冷凝法、气相法（气体冷凝法、溅射法、化学气相沉射法、化学气相沉积CVD、等离子体法等）、等离子体法等）v固相法（机械合金化、高温固相法、自蔓延固相法（机械合金化、高温固相法、自蔓延燃燃烧合成法，冲合成法，冲击波合成法等）波合成法等）v液相法（沉淀法，水液相法（沉淀法，水热法、溶胶凝胶法、法、溶胶凝胶法、微乳液法）微乳液法）v喷雾干燥、超干燥、超临界干燥、冷界干燥、冷冻干燥、微波合干燥、微波合成与干燥。成与干燥

23、。30-第二章第二章单分散分散颗粒制粒制备原理原理31-单分散体系分散体系v分散体系由分散相和分散体系由分散相和连续介介质（分散介（分散介质）组成成的多相体系称的多相体系称为分散体系。分散体系。v单分散体系分散体系分散相以大小、形貌均一分散相以大小、形貌均一致的状致的状态被被分散在分散介分散在分散介质中即形成了中即形成了单分散体系。分散体系。v单粒度体系粒度体系颗粒系粒系统的粒径相等的粒径相等时，可用，可用单一粒一粒径表示其大小，径表示其大小，这类颗粒称粒称为单粒度体系或称粒度体系或称为单分散体系。分散体系。32-成核和生成核和生长的分离的分离v沉淀的形成一般要沉淀的形成一般要经过晶核形成和晶

24、核晶核形成和晶核长大大两个两个过程。程。v为了从液相中析出大小均匀一致的固相了从液相中析出大小均匀一致的固相颗粒，粒，必必须使成核和生使成核和生长两个两个过程分开，以便使已程分开，以便使已形成的晶核同步形成的晶核同步长大，并在生大，并在生长过程中不再程中不再有新核形成。有新核形成。这是形成是形成单分散体系的必要条分散体系的必要条件。件。33-单分散体系形成的分散体系形成的LaMer模型模型34-v成核要快成核要快v生生长要慢要慢35-成核和生成核和生长的沉淀速率的沉淀速率作作为溶溶质的函数的函数36-抑制凝聚的方法抑制凝聚的方法v当当颗粒直接接触粒直接接触时常不可逆地粘在一起，在常不可逆地粘在一起，在某些情形下受某些情形下受“接触再接触再结晶晶”支配。因此，支配。因此，制制备单分散分散颗粒必粒必须抑制凝聚。抑制凝聚。v（1）利用双）利用双电层；v（2）利用凝胶网）利用凝胶网络；v（3）利用防）利用防护试剂（排斥力，空（排斥力，空间位阻）。位阻）。37-