中國(guó)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(diǎn)，并有迅速發(fā)展的趨勢(shì)。

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(tuán)聚，形成二次顆粒，使粒徑變大，最終在使用時(shí)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(shí)間是急待解決的問(wèn)題。

粉體分散穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(píng)估方法問(wèn)題。從目前的研究來(lái)看，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法主要有沉降法、粒度觀測(cè)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(tuán)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(méi)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(shí)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(jiǎn)便，是目前常用的方法之一。其不足之處是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，對(duì)于分散穩(wěn)定性好的分散體系有可能放置10 d、一個(gè)月甚至半年不發(fā)生沉降。

粒度觀測(cè)法

粒度觀測(cè)法是通過(guò)觀測(cè)分散體系中納米顆粒的粒度或粒徑分布的一種常用評(píng)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(shuō)明該分散體系有一定程度的團(tuán)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(cè)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(cè)法中的具體操作來(lái)看，測(cè)量的粒度大小或粒度分布一般是分散體系中經(jīng)過(guò)處理（如稀釋）后所觀測(cè)到的結(jié)果，這種方法除不能直接測(cè)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(jì)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(kuò)散層交界處滑動(dòng)面的電位為Zeta電位。Zeta電位的絕對(duì)值越大，顆粒之間的靜電斥力占優(yōu)勢(shì)，不易團(tuán)聚，說(shuō)明分散體系穩(wěn)定；相反，Zeta電位的絕對(duì)值越小，顆粒之間的范德華引力占優(yōu)勢(shì)，容易團(tuán)聚，說(shuō)明體系分散穩(wěn)定性差。因此，該方法就是通過(guò)測(cè)量顆粒表面Zeta電位的大小來(lái)評(píng)估分散體系的分散穩(wěn)定性。

用測(cè)量Zeta電位的方法來(lái)評(píng)估分散體系的分散穩(wěn)定性，可以很快地得出試驗(yàn)結(jié)果，這是該方法的優(yōu)點(diǎn)。但是該方法是在靜電穩(wěn)定機(jī)制的理論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，不適用空間位阻穩(wěn)定機(jī)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(duì)一定波長(zhǎng)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(shuō)，對(duì)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(jì)來(lái)測(cè)量透光率。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、省時(shí)，但是這種方法是根據(jù)朗伯-比爾定律提出來(lái)的一種評(píng)估方法，只適于稀溶液，有一定的局限性，同樣不是評(píng)估分散穩(wěn)定性的直接方法。

基于核磁共振技術(shù)評(píng)價(jià)粉體分散性

大眾對(duì)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(píng)價(jià)納米粉體的分散穩(wěn)定性，以往鮮有報(bào)道。

近期，據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯查閱文獻(xiàn)獲悉，廈門市計(jì)量檢定測(cè)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(guò)測(cè)量導(dǎo)電漿料的弛豫時(shí)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(shí)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(shuō)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(shuō)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(jìn)行測(cè)量的激光粒度法具有很大的弊端，無(wú)法反映濃稠漿料真實(shí)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(cè)試及計(jì)量表征方法，不僅可用于鋰電池正極導(dǎo)電漿料的測(cè)試及評(píng)價(jià)，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(bào)道是來(lái)自廣東風(fēng)華高科的研究人員，其利用一種低場(chǎng)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(cè)粒子與液體間實(shí)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(wú)接觸自由狀態(tài)下液體兩者氫原子核弛豫時(shí)間差異來(lái)表征混合物分散程度，即混合物的弛豫時(shí)間越小，分散程度越好，反之亦然。該方法能夠在樣品無(wú)稀釋，無(wú)前處理的狀態(tài)下，快速準(zhǔn)確的檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)測(cè)試方法，對(duì)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(chǎng)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(píng)價(jià)方面有如此明顯的優(yōu)勢(shì)，那國(guó)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(guó)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(zhǎng)、右二：蘇州紐邁燕教授、右三：中國(guó)粉體網(wǎng)孔總）

2024年4月26日，中國(guó)粉體網(wǎng)會(huì)展事業(yè)部總經(jīng)理孔德宇一行參訪了國(guó)內(nèi)這家低場(chǎng)核磁共振科學(xué)儀器設(shè)備領(lǐng)軍企業(yè)。英國(guó)愛(ài)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(chǎng)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(chǎng)核磁共振技術(shù)主要檢測(cè)為H質(zhì)子，含H樣品經(jīng)過(guò)特定頻率的射頻激勵(lì)后，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。H核磁共振信號(hào)對(duì)應(yīng)有T1、T2兩個(gè)主要參數(shù)，通過(guò)測(cè)試T1、T2弛豫時(shí)間并進(jìn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

低場(chǎng)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(cè)量可獲得多個(gè)參數(shù)、對(duì)樣品無(wú)損耗、樣品制備簡(jiǎn)單、對(duì)操作人員的健康和環(huán)境無(wú)影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此許多原來(lái)采用其他傳統(tǒng)檢測(cè)方法的應(yīng)用目前都在探索采用核磁共振技術(shù)進(jìn)行。

在分析顆粒分散性方面，低場(chǎng)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?jī)?nèi)的溶劑在弛豫速率方面沒(méi)有顯著變化，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀痪哂泻芨叩牧鲃?dòng)性。當(dāng)聚合物在顆粒表面形成吸附層時(shí)，由于水分子在近表面區(qū)域的比例和/或停留時(shí)間增加，總的弛豫速率增強(qiáng)。通過(guò)低場(chǎng)核磁技術(shù)的弛豫差異，即可描述顆粒分散性。

低場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)吸附、鈦酸鋇沉淀過(guò)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(píng)價(jià)研磨過(guò)程對(duì)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(guò)程的弛豫行為、液滴尺寸測(cè)量、粉體質(zhì)量控制、分散工藝研究等。

紐邁低場(chǎng)核磁共振成像分析儀

經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，蘇州紐邁獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)的多款低場(chǎng)核磁共振儀器打破了國(guó)外進(jìn)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(xiàng)國(guó)家獎(jiǎng)項(xiàng)和資質(zhì)認(rèn)證。本次參訪過(guò)程中，蘇州紐邁楊培強(qiáng)董事長(zhǎng)特別展望了紐邁低場(chǎng)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(guò)中國(guó)粉體網(wǎng)大力推動(dòng)國(guó)產(chǎn)儀器在粉體分散性評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用，助力國(guó)內(nèi)粉體生產(chǎn)及應(yīng)用企業(yè)切實(shí)解決行業(yè)痛點(diǎn)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(píng)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(cè)量研究鋰電池正極導(dǎo)電漿料的分散性，廈門市計(jì)量檢定測(cè)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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