浅谈纳米粒子和纳米粒子粒径的评估方法
首先我们先了解一下纳米粒子的概念。纳米粒子一般指一次颗粒。结构可以是晶态、非晶态和准晶,可以是单相、多相结构,或多晶结构。只有一次颗粒为单晶时,微粒的粒径才与晶粒尺寸,即晶粒度相同。
那么,纳米粒子概念中提到的晶粒、一次颗粒又是什么呢?
刚提到的“晶粒”,是指单晶颗粒,即颗粒内为单相,无晶界;“一次颗粒”,是指含有低气孔率的一种独立的粒子,颗粒内部可以有界面,例如相界、晶界等。而我们所说的“粒子粒径”,针对球形颗粒来说,是颗粒尺寸,即粒径,就是指它们的直径;对不规则的颗粒,尺寸的定义为等当直径,如体积等当直径,投影面积直径等。
好,简单介绍了一下几个基本概念后,我们就来看一下纳米粒子粒径的评估方法吧。
目前常用的评估方法主要有八种,分别是:
1. 透射电镜观察法;
2. 扫描电子显微镜;
3. 探针扫描显微镜;
4. X射线衍射线线宽法(谢乐公式);
5. X射线小角散射法;
6. 拉曼(Raman)散射法;
7. 光子相关谱法(激光粒度仪);
8. 比表面积法。
这里我们主要给大家简单讲一下第7和第8种方法。
1.光子相关谱法(激光粒度仪)
原理:利用测量微粒在液体中的扩散系数来测定颗粒度(平均粒度)。微粒在溶剂中形成分散系时,由于微粒作布朗运动导致粒子在溶剂中扩散,扩散系数与粒径满足爱因斯坦关系:
由此方程可知,只要知道溶剂(分散介质)的黏度η,分散系的温度T,测出微粒在分散系中的扩散系数D就可求出颗粒粒径d.
目前,激光粒度分析法是最为主要的纳米材料体系粒度分析方法。
当一束波长为λ的激光照射在一定粒度的球形小颗粒上时,会发生衍射和散射两种现象,通常当颗粒粒径大于10λ时,以衍射现象为主;当粒径小于10λ时,则以散射现象为主。
一般,激光衍射式粒度仪仅对粒度在5 ?m以上的样品分析较准确;而动态光散射粒度仪则对粒度在5 ?m以下的纳米、亚微米颗粒样品分析准确。要求颗粒为球形、单分散,而实际上被测颗粒多为不规则形状并呈多分散性。因此,颗粒的形状、粒径分布特性对最终粒度分析结果影响较大,而且颗粒形状越不规则、粒径分布越宽,分析结果的误差就越大。
激光粒度分析法具有样品用量少、自动化程度高、快速、重复性好并可在线分析等优点。但是对样品的浓度有一定的限制,对高浓度体系的粒度及粒度分布,分析过程中需要稀释,因此会产生一定的误差。在利用激光粒度仪对体系进行粒度分析时,必须对被分析体系的粒度范围事先有所了解,以便使分析结果更为准确。
2. 比表面积法
测量原理:
通过测定粉体单位重量的比表面积Sw,可由下式计算纳米粉中粒子直径(设颗粒呈球形):
式中,ρ为密度,d为比表面积直径;SW的一般测量方法为BET多层气体吸附法,BET法是固体比表面测定时常用的方法。
比表面积的测定范围约为0.1-1000m2/g,以ZrO2粉料为例,颗粒尺寸测定范围为lnm~l0μm.
BET方程为:
式中,V为被吸附气体的体积;Vm为单分子层吸附气体的体积:
令
将上述BET方程改写为:
通过不同压强下,气体吸附量的对应关系可得到系数A、B,进一步得到Vm。
把Vm换算成吸附质的分子数(Vm/Vo•NA)乘以一个吸附质分子的截面积Am,即可用下式计算出吸附剂的表面积S :
式中,Vo为气体的摩尔体积;NA为阿伏伽德罗常量。
固体比表面积测定时常用的吸附质为N2气。一个N2分子的截面积一般为0.158nm2 。
为了便于计算,可把以上3个常数合并之,令Z=NA Am/Vo。于是表面积计算式便简化为:
因此,只要求得Vm,代入上式即可求出被测固体的表面积。