粉體表面改性的研究進展

1、粉體表面改性技術的研究進展姓名：黃政杰學號：200839110324專業(yè)：無機非金屬材料班級：0803班早在20世紀50年代，研究人員就已經(jīng)注意到，對無機顏料，如鈦白粉， 用二氧化硅或三氧化鋁等進行表面復合或者包膜處理可以改善其保光性和耐候性。 但是作為技術加工研究表面改性是在近一二十年的事情，尤其是現(xiàn)代有機無機復合材料、無機無機復合材料、涂料或涂層材料、 吸附與催化材料、 環(huán)境材料以及超細粉體和納米粉體的制備和應用具有重要意義。粉體表面改性的研究進展粉體工程表面改性或者表面處理與很多學科，如粉體工程，物理化學，表面與膠體化學，有機化學，無機化學，高分子化學，無機非金屬材料，高分子材料，復合材

2、料，結(jié)晶學，光學，電學磁學等學科密切相關。 可以說， 粉體表面改性是粉體工程或者顆粒制備技術與其他眾多學科相關的邊緣學科。粉體工程改性主要包括四個方面。1 粉體改性的原理和方法2 表面改性劑3 表面改性工藝與設備4 粉體表面改性產(chǎn)品的檢測與表征一 粉體表面改性的原理利用物理、化學機、械等方法對顆粒表面進行處理，根據(jù)應用的需要有目的地改變顆粒表面的物理化學性質(zhì)， 如表面晶體結(jié)構和官能團表面能、界面潤濕性、電性、表面吸附和反應特性等，以滿足現(xiàn)代新材料，新工藝和新技術發(fā)展的需要。二 表面改性方法表面改性的方法很多，能夠改變非金屬礦物粉體表面或界面的物理化學性質(zhì)的方法，如表面物理涂覆、化學包覆、微膠囊

3、包覆、機械力化學、 等可稱為表面改性方法。 目前工業(yè)上非金屬礦物粉體表面改性常用的方法主要有表面化學包覆改性法、 微膠囊包覆改性法和機械化學改性法及原位聚合改性法。（1）表面化學包覆改性法：是目前最常用的非金屬礦物粉體表面改性方法， 這是一種利用有機表面改性劑分子中的官能團在顆粒表面吸附或化學反應對顆粒表面進行改性的方法。 所用表面改性劑主要有偶聯(lián)劑（硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機絡合物、磷酸酯等）、表面活性劑（高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、非離子型表面活性劑、有機硅油或硅樹脂等）、高分子分散劑改性和接枝改性。（ 2）微膠囊包覆改性法微膠囊的制備首先是將液體.固體或者氣體囊心物質(zhì)分細，然后

4、以這些微粒為核心，使聚合物成膜材料在其上沉積.涂成形成一層膜，將囊心微粒包覆。 依據(jù)囊壁形成機制合成囊條件， 微膠囊化方法大致分為三類，即化學法（界面聚合法，原位聚合法，銳孔法） ，物理法（噴霧干燥法，空氣懸浮法，真空蒸發(fā)沉積法，靜電結(jié)合法，溶劑蒸發(fā)法，包結(jié)絡合物法，擠壓法等）和物理化學法（水相分離法、油相分離法融化分散冷凝法等） 。（ 3）機械化學改性法是利用超細粉碎過程及其他強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面， 使其結(jié)構復雜或無定形化， 增強它與有機物或其他無機物的反應活性。 機械化學作用可以強顆粒表面的活性點和活性基團， 增強其與有機基質(zhì)或有機表面改性劑的使用。 以機械力化學原理為基礎發(fā)

5、展起來的機械融合技術， 是一種對無機顆粒進行復合處理或表面改性， 如表面復合、包覆、 分散的方法。能夠?qū)︻w粒進行激活的粉碎設備主要有各種類型的球磨機，氣磨機和機械沖擊式磨機等。（ 4） 原位聚合改性法利用粉體在乳液單體中均勻分散，然后用引發(fā)劑引發(fā)聚合，從而形成帶有彈性包覆層的核一殼結(jié)構的納米粒子。 由于外層是有機聚合物， 所以可以提高粉體與有機物的親和力再者它是一種內(nèi)硬外軟的核一殼結(jié)構的納米粒子可以填充到塑料或者橡膠中時可以改變它們的力學性能原位聚合改性法可分為無皂乳液聚合包覆法， 預處理乳液聚合法和微乳液聚合法等。三 表面改性劑粉體的表面改性，主要是依靠表面改性劑在粉體顆粒表面的吸附、反應，

6、包覆或包膜來實現(xiàn)的。因此，表面改性劑對于粉體的表面改性或表面處理具前應用的表面改性劑主要有偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機硅、不飽和有機酸及有機低聚物，超分散劑、水溶性高分子等。1 偶聯(lián)劑：具有兩性結(jié)構的化合物，按其結(jié)構可分為硅烷類，鈦酸酯類， 鈦鋁酸鹽及配合物等幾種。 其分子中的一部分基團可與無機粉體表面的各種官能團反應， 形成有力的化學鍵： 另一部分基團則可與有機高聚物發(fā)生某些化學反應或物理纏結(jié)， 從而將兩種性質(zhì)差異很大的材料牢固結(jié)合起來， 使無機粉體和有機高聚物分子之間產(chǎn)生具有特殊功能的“分子橋“。表面活性劑： 它是一種能顯著降低水溶液的表面張力或者液液界面張力，改變體內(nèi)系的表面狀態(tài)從而產(chǎn)生潤濕

7、和反潤濕，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用的化學藥品。有機硅：它是以硅氧烷為憎水基，聚氧乙烯鏈，羧基，酮基或其他極性基團為親水基的一類特殊類型的表面活性劑，俗稱硅油或硅樹脂。其主要品種有聚二甲硅氧烷， 有機基改性聚硅氧烷及有機化合物的共聚物等。水溶性高分子： 它是一種親水性的高分子材料， 在水中能溶解性成溶液或分散劑。四 表面改性工藝表面改性工藝依表面改性的方法、 設備和粉體制備方法而異。 目前工業(yè)上應用的表面改性工藝豐要有干法工藝、 濕法工藝、 復合工藝三大類。 干法工藝根據(jù)作業(yè)方式的不同又可分為間歇式和連續(xù)式； 濕法工藝又可分有機改性工藝和無機改性工藝； 復合工藝又可

8、分為機械化學與表面化學包覆改性復合工藝， 干燥與表面化學包覆改性復合工藝，沉淀反應與表面化學包覆改性復合工藝等。干法工藝： 是一種應用最為廣泛的非金屬礦物粉體表面改性工藝。 目前對于非金屬礦物填料和顏料， 如重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣、 高嶺土與煅燒高嶺土、滑石、硅灰石、硅微粉、玻璃微珠、氫氧化鋁和輕氧化鎂、陶土、陶瓷顏料等，大多采用干法表面改性工藝。其中，間歇式干法工藝的特點是可以在較大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)表面改性的時間， 但顆粒表面改性劑難以包覆均勻， 單位產(chǎn)品藥劑耗量較多， 生產(chǎn)效率較低，勞動強度大，有粉塵污染，難以適應大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，一般應用于小規(guī)模生產(chǎn)。 連續(xù)式改性工藝的特點是粉體與表面改性

9、劑的分散較好， 顆粒表面包覆較均勻， 單位產(chǎn)品改性劑耗量較少， 勞動強度小，生產(chǎn)效率高， 適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 連續(xù)式干法表面改性工藝常常置于干法粉體制備工藝之后， 大批量連續(xù)生產(chǎn)各種非金_屬礦物活性粉體，特別是用于塑料、 橡膠、膠粘劑等高聚物基復合材料的無機填料和顏料。濕法工藝： 與干法工藝相比具有表面改性劑分散好、 表面包覆均勻等特點，但需要后續(xù)脫水（過濾和干燥）作業(yè)。一般用于可水溶或可水解的有機表面改性劑以及前段為濕法制粉（包括濕法機械超細粉碎和化學制粉）工藝而后段又需要干燥的場合，如輕質(zhì)碳酸鈣（特別是納米碳酸鈣）、濕法細磨重質(zhì)碳酸鈣、超細氫氧化鋁與氫氧化鎂、超細二氧化硅等的表面改性

10、， 這是因為化學反應后生成的漿料即使不進行濕法表面改性也要進行過濾和干燥， 在過濾和干燥之前進行表面改性， 還可使物料干燥后不形成硬團聚， 改善其分散性。 無機沉淀包覆改性也是一種濕法改性工藝。它包括制漿、水解、沉淀反應和后續(xù)洗滌，脫水、煅燒或焙燒等工序或過程。復合工藝： 1 機械力化學與表面化學包覆復合改性工藝：是在機械力作用或細磨、 超細磨過程中添加表面改性劑， 在粉體粒度減小的同時對顆粒進行表面化學包覆改性的工藝。 這種復合表面改性工藝的特點是可以簡化工藝， 某些表面改性劑還具有一定程度的助磨作用， 可在一定程度上提高粉碎效率。不足之處是溫度不好控制；此外，由于改性過程中顆粒不斷被粉碎，

11、產(chǎn)生新的表面，顆粒包覆難以均勻，要設計好表面改性劑的添加方式才能確保均勻包覆和較高的包覆率；此外， 如果粉碎設備的散熱不好， 強烈機械力作用過程中局部的過高溫升可能使部分表面改性劑分解或分子結(jié)構被破壞。 2 干燥與表面化學包覆改性復合工藝：這是一種在濕粉體干燥過程中添加表面改性劑，在濕粉體脫水的同時對粉體顆粒進行表面化學包覆改性的復合工藝。3 沉淀反應表面化學包覆復合改性工藝：是在沉淀反應改性之后再進行表面化學包覆改性， 實質(zhì)上是一種無機有機復合改性工藝。 這種復合改性工藝已廣泛用于復合鈦白粉表面改性，即在沉淀包覆SiO：或A1203薄膜的基礎上，再用鈦酸酯、硅烷及其他有機表面改性劑對 Ti0

12、2/Si02或A1203復合顆粒進行表面有機包覆改性。五 表面改性設備粉體表面改性的方法很多，可采用的設備也是各種各樣。目前在這些設備中專用設備較少，大多數(shù)是從化工，塑料，粉碎，分散等行業(yè)中引用過來的。 根據(jù)所應用的表面改性工藝的不同， 表面改性設備可分為干法設備和濕法設備兩大類。 其中干法設備主要有高速加熱式混合機，臥式加熱混合機，SLG型連續(xù)式粉體表面改性機，PS例連續(xù)式粉體表面改性機， 高速沖擊式粉體表面改性機機械融合式粉體表面改性機，流態(tài)化床式粉體表面改性機，漩渦磨等，濕法設備主要是可控溫反應釜，反應罐或攪拌反應筒。六 粉體表面改性產(chǎn)品的檢測與表征目前的表征方法大體上可分為直接法和間接

13、法。直接法： 通過測定表面改性或者處理后粉體的表面物理化學性質(zhì)如表面潤濕能，表面能，表面電性光學性能包覆量表面結(jié)構，形貌和表面化學組成等來表征表面改性的效果。間接法： 通過測定表面改性后粉體在確定的應用領域中的應用性能如填充高聚物基復合材料的力學性能，電性能，涂料和涂層材料的光，電，熱，化學性能等來表征表面改性的效果。表面改性技術的發(fā)展(1)表面改性工藝與設備。發(fā)展適用性廣、 分散性能好、 粉體與表面改性劑的作用機會均等、 表面改性劑包覆均勻、 改性溫度和停留時間可調(diào)、單位產(chǎn)品能耗和磨耗應較低，無粉塵污染的先進工藝與裝備集成， 并在此基礎上采用先進計算機技術和人工智能技術對豐要工藝參數(shù)和改性劑用量進行在線自動調(diào)控， 以實現(xiàn)表面改性劑在顆粒表面的單分子層吸附、減少改性劑用量、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和方便操作。(2)表面改性劑。在現(xiàn)有表面改性劑的基礎上、 采用先進技術降低生產(chǎn)成本，尤其是各種偶聯(lián)劑的成本；同時采用先進化學、高分子、生化和化工科學技術和計算機技術，研發(fā)應用性能好、成本低、在某些應用領域有專門性能或特殊功能并能與粉體表面和基質(zhì)材料形成牢固作用的新