表面活性剂与纳米材料

哈尔滨工程

哈尔滨工程大学

表面活性剂与纳米材料

姓名：张进

表面活性剂与纳米材料

Harbin Engineering University

Surfactant And Nanometer Materials

Name: Zhang Jin

电子邮箱：zhangjing8014484@163.com

哈尔滨工程

摘要

本文简要介绍了表面活性剂在纳米材料制备和应用方面最近的研究进展；总结了表面活性剂在纳米材料制备和应用方面所起的作用，并总结目前提出的表面活性剂对纳米材料的作用机理，同时初步探讨表面活性剂在纳米材料的制备和应用方面的作用机制。

关键词：表面活性剂 纳米材料 分散剂

表面活性剂与纳米材料

Abstract

This paper introduced the recently research progress of the surfactant in the preparation and applications of nanomaterials, and summed up the roles of surfactant in the nanomaterials preparation and application, and the mechanism between the surfactant and nanomaterials at present. Preliminary studied the mechanism of action of surfactants in the preparation and application of nanomaterials.

Keyword：surfactant; nanometer materials; dispersant

电子邮箱：zhangjing8014484@163.com

哈尔滨工程

随着纳米科学技术的发展，表面活性剂在纳米材料制备方面应用的越来越广泛。表面活性剂特殊的双亲结构，通过自组装所形成的聚集体系为化学反应提供了特殊环境，可作为“微反应器”或模板制备出各种结构和形貌的纳米材料；表面活性剂的分散性可以防止纳米颗粒聚集；表面活性剂可以降低表面能，在纳米粒子的稳定存在方面拥有广阔的应用前景。在不同环境下，选取的表面活性剂不同，表面活性剂所起的作用也不同。很多情况下，选取何种表面活性剂来控制纳米材料的形貌仍在探索中。 目前，人们在表面活性剂用于纳米材料的制备方面做了一些工作，也取得了部分成绩，但是人们对纳米材料生长机理、表面活性剂在纳米材料制备过程中的反应机理、反应动力学等的认识还不够准确。相信经过不断探索，表面活性剂在纳米科技中的应用将会更加广阔。下面将介绍表面活性剂在纳米材料制备中起的作用.

1. 表面活性剂在制备纳米材料中的作用

自从Boutonnet等首次用微乳相法制备出Pt, Pd, Rh, Zr等单分散金属纳米颗粒以来，微乳相制备无机纳米颗粒得到极大发展，近三十年来已经利用微乳相制备了许多的纳米颗粒，主要包括金属纳米颗粒，金属卤化物纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒，金属氧化物纳米颗粒，金属碳酸盐纳米颗粒，纳米磁性材料等。在制备过程中，表面活性剂主要用来形成微乳相体系，按照表面活性剂所起的作用分为稳定剂，分散剂，模板剂。 1.1 稳定剂

在制备纳米材料的过程中，表面活性剂的一个主要作用是用作稳定剂。四川攀枝花学院材料工程系的王海波[1]采用在沉淀法制备羟基磷灰石（HAP）试验中加入PEG的方法，制的了纳米HAP粉体。通过加入PEG表面活性剂的方法防止羟基磷灰石的团聚从而制取到纳米HAP粉体。刘小鹤[2]等利用聚乙二醇和聚丙烯酸为稳定剂合成了 Si02微粉，并且证明以聚乙二醇（PEG）为稳定剂的情况下其稳定最好。

哈尔滨工程

在 24h陈化后成功制备了不同长径比的Te纳米棒。其生长机理是先生成Te晶种，然后在陈化阶段长大成棒。

人们在以上这些试验事实的支持下提出了胶团作用机理。认为是表面活性剂在溶液中形成胶团。正是这些胶团发挥了模板剂的作用，促使纳米粒子形成了特定的形状，同时起到稳定作用。 3.2 反胶团作用机理

表面活性剂在非水溶液中聚集形成反胶团，其具有可增溶极性水分子的极性内核。利用反胶团辅助制备纳米材料的报道相对较多，涉及到阴离子、阳离子、非离子等各种表面活性剂体系，制备的纳米材料的形貌也有颗粒、棒、棒簇、管等。反胶团一般是球状胶团，显然，只用反胶团水性微环境的限域作用来解释这一现象是行不通的。hZagn等在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS和庚烷及环己烷组成的反胶团中利用溶剂热法(20℃，81h)成功制备了由棒组成的花簇型SnO2。王培义认为形成棒状材料的机理可能是，形成的Sn(0H)6-溶解在反胶团的内核中，在周围环境的作用下水解生成 SnO2，由于纳米SO2高能表面，表面活性剂极性基吸附在产品表面，而把较长的疏水链露在外面，因此晶体在长大过程中就受到空间位阻的影响，只能在疏水链空隙内生长，在温度200℃、18h下表面活性剂失活，最终得到了由棒组成的花簇型产品。李丽丽等在常温下分别在AOT/异辛烷/水、CTAB/环己烷/水和0-P10/环己烷/水3种反胶团中合成了三角形、棒状和管状3种不同形态的CaCO3纳米材料。不同形态的纳米CaCO3的形成，主要是因为表面活性剂的结构和性质不同。AOT是磺酸盐类型的阴离子表面活性剂，其在溶剂中聚集形成反胶团。加人CaCl2后，Ca2+离子可能与AOT形成络合物;当滴加含有NaCO3的反胶团后，CO32-离子置换出表面活性剂而形成颗粒状CaCO3这与Pinna等在AOT/异辛烷/水反胶束体系中合成CdS纳米晶，Cason等在AOT反胶束中制备铜纳米粒子的结果相一致。但是Ruitao Lv等用AOT胶束模板法合成了ZnS 纳米线，该实验对表面活性剂浓度对纳米材料形貌的影响进行了探讨，随着浓度的增加，ZnS由颗粒转化为纳米棒。在浓度较高时，形成棒状可能是因为AOT与无机阳离子形成络合物之后，还有足够的表面活性剂可以吸附在新形成的晶核表面，使得材料在生长过程中，单一取向生长。CTAB为阳离子表面活性剂，不会与Ca2+形成络合物，而是 CaCl2溶解在CTAB反胶团的内核中，当滴加含有Na2CO3 的反胶团后，形成CaCO3颗粒，由于纳米材料能量较高，表面活

表面活性剂与纳米材料

性剂在其上吸附，长大过程受到表面活性剂影响而单一取向生长，最终形成CaCO3纳米棒。表面活性剂为OP-10时，生成了CaCO3纳米管，其原因可能是由于OP-10为具有聚氧乙烯链(PEO)的非离子表面活性剂，一方面PEO可以介人到生成的纳米粒子中间，使粒子更加稳定;另一方面表面活性剂分子可能排列在反胶束的表面，导致油一水界面处的界面张力最低，水池中的Ca2+和CO32-趋向于沿油/水界面处反应，因而导致纳米管的形成。 3.3 微乳液作用机理

“微乳液”最早在1985年由Leung等给出定义，刘会洲等将微乳液的概念扩展到一种更为广泛的意义，包括胶团溶液，反胶团溶液和一般微乳液体系，并称之为“微乳相”。

Leung等定义微乳液是两种相对不互溶的热力学稳定，各向同性，透明或半透明的分散体系。由大小均匀、粒径在10一20nm 左右的小液滴组成，这些小液滴可以作为反应微环境。其有W/0、0/W和双连续3种类型，在制备无机纳米材料时，一般选择具有水性内核的W/0型微乳液。利用微乳液辅助制备纳米材料的影响因素有表面活性剂的种类、助表面活性剂、溶剂等因素。Song等用阴离子表面活性剂AOT作为乳化剂，正庚烷作为油相组成的微乳液常温制备SnO2前躯体，最后在600℃锻烧后得到粒度均匀、颗粒较小且不易团聚的高比表面SnO2颗粒。潘庆谊等分别用阴离子表面活性剂K12、AES、ABS制备成微乳液，以其为介质制备了SnO2前驱体，经缎烧后均得到颗粒状SnO2。Xu等在混合非离子表面活性剂壬基酚聚氧乙烯醚trixon-100、聚氧乙烯醚(NP9)、tween-80组成的微乳液体系中制备了SnO2的前驱体，并在高温810℃锻烧条件下制备了SnO2纳米棒。Liu等在混合表面活性剂NPS、NPg、OP-10组成的微乳液体系中制备了SnO2的前驱体，并在820℃左右锻烧制备了SnO2纳米棒。制备微乳液所用的表面活性剂为单一表面活性剂时，得到的最终产品是颗粒;制备微乳液所用表面活性剂为混合表面活性剂时，得到的最终产品是棒状。这可能是因为，单一表面活性剂在材料上的吸附能力均一，各个晶面的生长速度相同，此时表面活性剂只起到防止颗粒团聚的作用;如果是混合表面活性剂，不同种类的表面活性剂在材料表面吸附能力不同，使得各个晶面的生长速度不同，晶体的生长方向朝着吸附能力较弱的方向生长，最终得到棒状产品。但是此规律并非绝对，Zhang等在CTAB正己醇一正庚烷组成的微乳液体系中，用水热法合成了直径30nm、长达3μm的ZnO纳米线。这是微乳液和水热法的有机结合，其机理可能

电子邮箱：zhangjing8014484@163.com

哈尔滨工程

与反胶团水热法基本相似，需进一步研究。 3.3 囊泡作用机理

有双碳氢尾和较大亲水基的表面活性剂在水溶液中一般会聚集形成单室或者多室囊泡。囊泡具有良好的相对稳定性，主要应用在药物载体和生物膜模拟上。由于囊泡不仅有亲水内核而且具有独特的表面活性剂双分子层结构，其既可以包容极性物质也可以包容非极性物质，这些特点使得囊泡的应用日趋广泛。其水性内核可以加溶无机原料，可以作为无机纳米粒子的反应场所。另外囊泡表面也是亲水性的，无机原料可以在其表面发生反应，使生成物沉淀在囊泡表面，最终除去表面活性剂后即可获得空心球状的纳米材料。 3.4 液晶作用机理

表面活性剂浓度足够大时可以形成溶致液晶，结构类型主要有六方柱状和层状2种，立方相液晶研究极少。利用表面活性剂液晶为模板辅助制备纳米材料仍然是目前研究的重点。

该机理主要是认为表面活性剂在制备纳米材料时以液晶的形式充当模板形成具有不同表面形状的纳米材料。

以上这些机理的提出都有其各自的实验背景，并能够解释相关的实验现象，但是却并不能解释全部的实验现象。机理的提出很大一部分也都是定性的描述，还没有上升到定量的数学模型上，仍然需要进一不完善！

除了以上提到的机理外，人们还提出了一些其它的作用机制，总的来说表面活性剂只所以能够在纳米材料的制备中大显身手，与其特殊的双亲结构是分不开的。至于表面活性剂的作用机制究竟如何还无定论，正在探索，相信终将有一天会有一个完整统一的理论去解释这些现象的。

4. 表面活性剂辅助制备纳米材料发展趋势及前景展望

就目前的研究来看表面活性剂辅助制备纳米材料的研究主要集中在以下几个方面：

一：合成新型的具有良好表面修饰和形貌控制的表面活性剂，比如baoa型表面活性剂和gime型表面活性剂等。

二：寻找已有表面活性剂在制备纳米材料方面的应用以及最优条件，研究表面活性剂制备纳米材料的作用机理。

三：研究表面活性剂如何精确控制纳米粒子的形状和大小，

表面活性剂与纳米材料

纳米粒子在微乳相中的反应性能和动力学过程。

参考文献：

[1] 王海波，孙青竹．表面活性剂在纳米材料制备中的应用[J]．佳木斯大

学学报（自然科学版），2007，7（25）：471—473

[2] 刘小鹤，刘建平 ，黄素萍．超分散剂的合成及其对SiO2微粉分散稳

定性的 影响[J]．中南工业大学学报 2002，3(33)：234—237． [3] 谭伟，肖汉宁．球磨助剂对氧化铝粉末细度及氧化铝煅烧温度的影响

[J]．陶瓷科学与艺术，2003，5：47—50

[4] 徐育东，刘宁，李华．纳米 TiN粉分散工艺优化研究[J]．硬质合金，

2002，2(19)：78—82

[5] 周晓东，石华强 ，傅洵．咪唑啉表面活性剂的合成及用于制备ZnSe

纳米材料[J]．稀有金属材料与工程 2007，8(36)：102—105． [6] Ma X Y，Liu L，Mo W L,et,a1．J.Cryst.Growth,2007 306 (1)：159-165 [7] 徐建,韩霞,周丽绘等．水热合成法制备高长径比的银纳米线过程

[J]．工程学报，2006，6(2)：323—32

[8] 张彩碚，张霞，赵岩．有机分子控制下Si02纳米材料的制备及光催化

性能研究[J]．功能材料。2003：34(4)：436—438

[9] 赵鹤云，杨留方，朱文杰，等．SnO 纳米棒的制备与表征[J]．功能材

料，2005，2(36)：260－26 [10] Xu Congkang，Zhao Xiaolin，Liu Sheng，et a1．Largescale synthesis

of rutile SnO2 nanorods[J]．Solid State Communication，2003，(125)：3Ol一304 [11] Huang J，Matsunaga N，Shimanoe K，et a1．Nanombar SnO2 templated

by cellulose fibers：synthesis and gas sensing[J]．Chemistry of Materials，2O05，(17)：35l3—35l [12] Guo Caixin，COo Minhua，Hu Changwen．A novel and low temperature

hydrothermal synthesis of Sn02 nanorod[J] 1．Inorganic Chemistry Communication，2OO4，(7)：929—931

敬请参考，版权所有，不得广泛传播，抄袭！

电子邮箱：zhangjing8014484@163.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/um13.html