中國粉體網(wǎng)訊 尺度為1～100nm的納米顆粒具有尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、體積效應(yīng)等，使其在應(yīng)用中表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)特性。隨著納米顆粒產(chǎn)品的出現(xiàn)及發(fā)展，將納米顆粒引入到化工、電子、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中，以期得到性能優(yōu)異的工業(yè)新產(chǎn)品成為目前研究的熱點，并有迅速發(fā)展的趨勢。
在工業(yè)應(yīng)用中常將固體顆粒分散在液體介質(zhì)中，由于納米顆粒的尺寸小，表面存在大量不飽和鍵，表面活性很大，再加上范德華力、靜電力等，分散在液體介質(zhì)中的納米顆粒易發(fā)生凝并、團聚，形成二次顆粒，使粒徑變大，最終在使用時失去納米顆粒所具備的特有功能。因此，如何提高納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性、防止顆粒凝集，并提高其懸浮時間是急待解決的問題。
粉體分散穩(wěn)定性評價方法
納米顆粒的分散穩(wěn)定性在應(yīng)用中至關(guān)重要，那又該如何判斷納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性呢？這涉及到分散穩(wěn)定性的評估方法問題。從目前的研究來看，傳統(tǒng)的評價方法主要有沉降法、粒度觀測法、Zeta電位法和透光率法等。
沉降法
分散穩(wěn)定性差的體系多呈團粒式的絮凝迅速沉降，且沉降物與上部清液形成一清晣的界面很快達(dá)到沉降平衡。分散穩(wěn)定性好的沉降速度慢，分散體系的顆粒由上而下呈逐漸增濃的彌散分布，沒有明顯的沉積物。沉降法的具體操作是：將分散好的分散體系倒入量筒中，靜置，觀察沉降物的體積或高度。
沉降法可以真實地反應(yīng)納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性，且操作簡便，是目前常用的方法之一。其不足之處是試驗周期長，對于分散穩(wěn)定性好的分散體系有可能放置10 d、一個月甚至半年不發(fā)生沉降。
粒度觀測法
粒度觀測法是通過觀測分散體系中納米顆粒的粒度或粒徑分布的一種常用評估方法。分散穩(wěn)定性好的分散體系顆粒尺寸應(yīng)該是一次納米顆粒的尺寸。相反粒度較大者，一方面說明該分散體系有一定程度的團聚；另一方面其在分散體系中所受重力影響較大，沉降速度加快，從而加速了體系的不穩(wěn)定性。
目前，測量納米顆粒粒度的方法很多，如：透射電鏡、納米粒度分析儀等。從一些粒度觀測法中的具體操作來看，測量的粒度大小或粒度分布一般是分散體系中經(jīng)過處理（如稀釋）后所觀測到的結(jié)果，這種方法除不能直接測量納米顆粒在液體介質(zhì)中的粒徑大小外，還取樣有限，結(jié)果缺乏統(tǒng)計性。
Zeta電位法
納米顆粒分散到液體介質(zhì)中，顆粒表面帶有一定數(shù)量的凈電荷，吸引同等數(shù)量的相反電荷在其周圍，緊密層和擴散層交界處滑動面的電位為Zeta電位。Zeta電位的絕對值越大，顆粒之間的靜電斥力占優(yōu)勢，不易團聚，說明分散體系穩(wěn)定；相反，Zeta電位的絕對值越小，顆粒之間的范德華引力占優(yōu)勢，容易團聚，說明體系分散穩(wěn)定性差。因此，該方法就是通過測量顆粒表面Zeta電位的大小來評估分散體系的分散穩(wěn)定性。
用測量Zeta電位的方法來評估分散體系的分散穩(wěn)定性，可以很快地得出試驗結(jié)果，這是該方法的優(yōu)點。但是該方法是在靜電穩(wěn)定機制的理論基礎(chǔ)上建立起來的，不適用空間位阻穩(wěn)定機制體系的分散體系，具有局限性。
透光率法
該方法是利用分散體系中納米顆粒對一定波長入射光有吸收作用，其吸光度的大小滿足朗伯-比爾定律。隨著分散體系中納米顆粒含量的增加，透光率減小，如果透光率不再減小，可認(rèn)為分散體系達(dá)到了分散穩(wěn)定的狀態(tài)。也就是說，對于不同的分散體系，在相同條件下，透光率小者體系的分散穩(wěn)定性要好。一般用分光光度計來測量透光率。
該方法的優(yōu)點是直觀、省時，但是這種方法是根據(jù)朗伯-比爾定律提出來的一種評估方法，只適于稀溶液，有一定的局限性，同樣不是評估分散穩(wěn)定性的直接方法。
基于核磁共振技術(shù)評價粉體分散性
大眾對于核磁共振的了解大多是源于醫(yī)療行業(yè)，而在材料工業(yè)尤其是粉體材料領(lǐng)域，基于核磁共振技術(shù)去評價納米粉體的分散穩(wěn)定性，以往鮮有報道。
近期，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯查閱文獻獲悉，廈門市計量檢定測試院的研究人員采用核磁共振(NMＲ)技術(shù)研究了不同類型導(dǎo)電顆粒制備的鋰電池正極導(dǎo)電漿料。通過測量導(dǎo)電漿料的弛豫時間和弛豫譜，發(fā)現(xiàn)了在同等研磨分散條件下炭黑漿料的弛豫時間與比表面積(BET)值呈負(fù)相關(guān)性，且炭黑漿料弛豫譜為單峰結(jié)構(gòu)，說明炭黑更容易得到分散；而碳納米管(CNT)漿料的弛豫譜全部為多峰結(jié)構(gòu)，說明CNT的分散性較差。
上述研究人員指出：傳統(tǒng)的需要稀釋才能進行測量的激光粒度法具有很大的弊端，無法反映濃稠漿料真實的信息。該研究所提出的基于核磁共振技術(shù)的漿料分散性測試及計量表征方法，不僅可用于鋰電池正極導(dǎo)電漿料的測試及評價，還能用于其他濃稠漿料等體系，具有廣泛的應(yīng)用前景。
另一例報道是來自廣東風(fēng)華高科的研究人員，其利用一種低場脈沖核磁共振-分散性分析儀，能直接表征高容量MLCC用鎳內(nèi)電極漿料中混合物的分散程度。研究人員指出：該設(shè)備能觀測粒子與液體間實際的交互作用，利用與粒子表面接觸的液體和與粒子表面無接觸自由狀態(tài)下液體兩者氫原子核弛豫時間差異來表征混合物分散程度，即混合物的弛豫時間越小，分散程度越好，反之亦然。該方法能夠在樣品無稀釋，無前處理的狀態(tài)下，快速準(zhǔn)確的檢測。相比于傳統(tǒng)測試方法，對漿料中分散劑差異性的研究以及漿料配方和工藝優(yōu)化提供了良好指導(dǎo)。
低場核磁共振-粉體分散性分析儀哪里有？
既然核磁共振技術(shù)在粉體分散性評價方面有如此明顯的優(yōu)勢，那國內(nèi)哪家公司能夠制造這種儀器呢？目前，種種線索都指向了國內(nèi)同一家公司——蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。
（左三：蘇州紐邁楊董事長、右二：蘇州紐邁燕教授、右三：中國粉體網(wǎng)孔總）
2024年4月26日，中國粉體網(wǎng)會展事業(yè)部總經(jīng)理孔德宇一行參訪了國內(nèi)這家低場核磁共振科學(xué)儀器設(shè)備領(lǐng)軍企業(yè)。英國愛丁堡大學(xué)地球物理博士、核磁共振領(lǐng)域?qū)＜已嘟淌跒榉垠w網(wǎng)一行人詳細(xì)講解了低場核磁共振技術(shù)原理及其在粉體材料領(lǐng)域的應(yīng)用案例。
據(jù)燕教授講，低場核磁共振技術(shù)主要檢測為H質(zhì)子，含H樣品經(jīng)過特定頻率的射頻激勵后，產(chǎn)生核磁共振信號。H核磁共振信號對應(yīng)有T1、T2兩個主要參數(shù)，通過測試T1、T2弛豫時間并進行建模，可用于食品農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘探、石油化工、生物醫(yī)藥、材料科學(xué)等多方面研究，并有多種方法已形成國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。
低場核磁共振儀器架構(gòu)框圖
由于核磁共振分析技術(shù)具有速度快、精確度高、一次測量可獲得多個參數(shù)、對樣品無損耗、樣品制備簡單、對操作人員的健康和環(huán)境無影響等諸多優(yōu)點，因此許多原來采用其他傳統(tǒng)檢測方法的應(yīng)用目前都在探索采用核磁共振技術(shù)進行。
在分析顆粒分散性方面，低場核磁技術(shù)的基本原理如下：顆粒分散體中溶劑的弛豫速率與可用顆粒表面積成線性比例；與游離聚合物相關(guān)的溶劑或聚合物環(huán)和尾部內(nèi)的溶劑在弛豫速率方面沒有顯著變化，因為它們?nèi)匀痪哂泻芨叩牧鲃有浴．?dāng)聚合物在顆粒表面形成吸附層時，由于水分子在近表面區(qū)域的比例和/或停留時間增加，總的弛豫速率增強。通過低場核磁技術(shù)的弛豫差異，即可描述顆粒分散性。
低場核磁共振技術(shù)在懸浮液體系中的應(yīng)用，目前已設(shè)涉及：微乳液的弛豫、混合聚合物體系的吸附行為、聚合物在二氧化硅上的競爭吸附、鈦酸鋇沉淀過程、金和銀納米粒子加速老化效應(yīng)、懸浮顆粒體系的比表面積、評價研磨過程對懸浮液表面積的影響、碳化硅懸浮液表面積、混合粒子懸浮液弛豫行為、藥用原料藥研磨過程的弛豫行為、液滴尺寸測量、粉體質(zhì)量控制、分散工藝研究等。
紐邁低場核磁共振成像分析儀
經(jīng)過近二十年的發(fā)展，蘇州紐邁獨立自主開發(fā)的多款低場核磁共振儀器打破了國外進口設(shè)備的壟斷，已成功的應(yīng)用于能源巖土、食品農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、材料與教學(xué)等領(lǐng)域，獲得業(yè)界的一致認(rèn)可，取得多項國家獎項和資質(zhì)認(rèn)證。本次參訪過程中，蘇州紐邁楊培強董事長特別展望了紐邁低場核磁共振成像分析儀在粉體分散穩(wěn)定性分析方面的應(yīng)用前景，并期待通過中國粉體網(wǎng)大力推動國產(chǎn)儀器在粉體分散性評價方面的應(yīng)用，助力國內(nèi)粉體生產(chǎn)及應(yīng)用企業(yè)切實解決行業(yè)痛點難題。
參考資料：
周細(xì)應(yīng)等，納米顆粒的分散穩(wěn)定性及其評估方法，上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院
周萍等：基于核磁共振技術(shù)測量研究鋰電池正極導(dǎo)電漿料的分散性，廈門市計量檢定測試院
冷浩博等：鎳內(nèi)電極漿料中納米粉體的分散及應(yīng)用研究，廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
