中國粉體網訊 尺度為1～100nm的納米顆粒具有尺寸效應、表面與界面效應、體積效應等，使其在應用中表現出一系列優異的物理、化學特性。隨著納米顆粒產品的出現及發展，將納米顆粒引入到化工、電子、冶金、醫藥等工業領域中，以期得到性能優異的工業新產品成為目前研究的熱點，并有迅速發展的趨勢。
在工業應用中常將固體顆粒分散在液體介質中，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，分散在液體介質中的納米顆粒易發生凝并、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中的分散穩定性、防止顆粒凝集，并提高其懸浮時間是急待解決的問題。
粉體分散穩定性評價方法
納米顆粒的分散穩定性在應用中至關重要，那又該如何判斷納米顆粒在液體介質中的分散穩定性呢？這涉及到分散穩定性的評估方法問題。從目前的研究來看，傳統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到沉降平衡。分散穩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納米顆粒在液體介質中的分散穩定性，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，對于分散穩定性好的分散體系有可能放置10 d、一個月甚至半年不發生沉降。
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。分散穩定性好的分散體系顆粒尺寸應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過處理（如稀釋）后所觀測到的結果，這種方法除不能直接測量納米顆粒在液體介質中的粒徑大小外，還取樣有限，結果缺乏統計性。
Zeta電位法
納米顆粒分散到液體介質中，顆粒表面帶有一定數量的凈電荷，吸引同等數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勢，不易團聚，說明分散體系穩定；相反，Zeta電位的絕對值越小，顆粒之間的范德華引力占優勢，容易團聚，說明體系分散穩定性差。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定性。
用測量Zeta電位的方法來評估分散體系的分散穩定性，可以很快地得出試驗結果，這是該方法的優點。但是該方法是在靜電穩定機制的理論基礎上建立起來的，不適用空間位阻穩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，可認為分散體系達到了分散穩定的狀態。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定性要好。一般用分光光度計來測量透光率。
該方法的優點是直觀、省時，但是這種方法是根據朗伯-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定性的直接方法。
基于核磁共振技術評價粉體分散性
大眾對于核磁共振的了解大多是源于醫療行業，而在材料工業尤其是粉體材料領域，基于核磁共振技術去評價納米粉體的分散穩定性，以往鮮有報道。
近期，據中國粉體網編輯查閱文獻獲悉，廈門市計量檢定測試院的研究人員采用核磁共振(NMＲ)技術研究了不同類型導電顆粒制備的鋰電池正極導電漿料。通過測量導電漿料的弛豫時間和弛豫譜，發現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)值呈負相關性，且炭黑漿料弛豫譜為單峰結構，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構，說明CNT的分散性較差。
上述研究人員指出：傳統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，具有廣泛的應用前景。
另一例報道是來自廣東風華高科的研究人員，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用鎳內電極漿料中混合物的分散程度。研究人員指出：該設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，無前處理的狀態下，快速準確的檢測。相比于傳統測試方法，對漿料中分散劑差異性的研究以及漿料配方和工藝優化提供了良好指導。
低場核磁共振-粉體分散性分析儀哪里有？
既然核磁共振技術在粉體分散性評價方面有如此明顯的優勢，那國內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：中國粉體網孔總）
2024年4月26日，中國粉體網會展事業部總經理孔德宇一行參訪了國內這家低場核磁共振科學儀器設備領軍企業。英國愛丁堡大學地球物理博士、核磁共振領域專家燕教授為粉體網一行人詳細講解了低場核磁共振技術原理及其在粉體材料領域的應用案例。
據燕教授講，低場核磁共振技術主要檢測為H質子，含H樣品經過特定頻率的射頻激勵后，產生核磁共振信號。H核磁共振信號對應有T1、T2兩個主要參數，通過測試T1、T2弛豫時間并進行建模，可用于食品農業、地質勘探、石油化工、生物醫藥、材料科學等多方面研究，并有多種方法已形成國際標準和行業標準方法。
低場核磁共振儀器架構框圖
由于核磁共振分析技術具有速度快、精確度高、一次測量可獲得多個參數、對樣品無損耗、樣品制備簡單、對操作人員的健康和環境無影響等諸多優點，因此許多原來采用其他傳統檢測方法的應用目前都在探索采用核磁共振技術進行。
在分析顆粒分散性方面，低場核磁技術的基本原理如下：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；與游離聚合物相關的溶劑或聚合物環和尾部內的溶劑在弛豫速率方面沒有顯著變化，因為它們仍然具有很高的流動性。當聚合物在顆粒表面形成吸附層時，由于水分子在近表面區域的比例和/或停留時間增加，總的弛豫速率增強。通過低場核磁技術的弛豫差異，即可描述顆粒分散性。
低場核磁共振技術在懸浮液體系中的應用，目前已設涉及：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、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、粉體質量控制、分散工藝研究等。
紐邁低場核磁共振成像分析儀
經過近二十年的發展，蘇州紐邁獨立自主開發的多款低場核磁共振儀器打破了國外進口設備的壟斷，已成功的應用于能源巖土、食品農業、生命科學、材料與教學等領域，獲得業界的一致認可，取得多項國家獎項和資質認證。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定性分析方面的應用前景，并期待通過中國粉體網大力推動國產儀器在粉體分散性評價方面的應用，助力國內粉體生產及應用企業切實解決行業痛點難題。
參考資料：
周細應等，納米顆粒的分散穩定性及其評估方法，上海工程技術大學材料工程學院
周萍等：基于核磁共振技術測量研究鋰電池正極導電漿料的分散性，廈門市計量檢定測試院
冷浩博等：鎳內電極漿料中納米粉體的分散及應用研究，廣東風華高新科技股份有限公司
（中國粉體網編輯整理/平安）
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