粉體表面改性的研究進(jìn)展

1、粉體表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展姓名：黃政杰學(xué)號(hào)：200839110324專業(yè)：無機(jī)非金屬材料班級(jí)：0803班早在20世紀(jì)50年代，研究人員就已經(jīng)注意到，對(duì)無機(jī)顏料，如鈦白粉，用二氧化硅或三氧化鋁等進(jìn)行表面復(fù)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(shù)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(jī)無機(jī)復(fù)合材料、無機(jī)無機(jī)復(fù)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(xì)粉體和納米粉體的制備和應(yīng)用具有重要意義。粉體表面改性的研究進(jìn)展粉體工程表面改性或者表面處理與很多學(xué)科，如粉體工程，物理化學(xué)，表面與膠體化學(xué)，有機(jī)化學(xué)，無機(jī)化學(xué)，高分子化學(xué)，無機(jī)非金屬材料，高分子材料，復(fù)合材料，結(jié)晶

2、學(xué)，光學(xué)，電學(xué)磁學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)?？梢哉f，粉體表面改性是粉體工程或者顆粒制備技術(shù)與其他眾多學(xué)科相關(guān)的邊緣學(xué)科。粉體工程改性主要包括四個(gè)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(shè)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(xué)機(jī)、械等方法對(duì)顆粒表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地改變顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)表面能、界面潤濕性、電性、表面吸附和反應(yīng)特性等，以滿足現(xiàn)代新材料，新工藝和新技術(shù)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(xué)性質(zhì)的方法，如表面物理涂覆、化學(xué)包覆、微膠囊包覆、機(jī)械力化學(xué)

3、、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(xué)包覆改性法、微膠囊包覆改性法和機(jī)械化學(xué)改性法及原位聚合改性法。(1)表面化學(xué)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(jī)表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對(duì)顆粒表面進(jìn)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(jī)絡(luò)合物、磷酸酯等)、表面活性劑(高級(jí)脂肪酸及其鹽、高級(jí)胺鹽、非離子型表面活性劑、有機(jī)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(xì)，然后以這些微粒為核心，使聚合物成

4、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(jī)制合成囊條件，微膠囊化方法大致分為三類，即化學(xué)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(luò)合物法，擠壓法等）和物理化學(xué)法（水相分離法、油相分離法融化分散冷凝法等）。（3）機(jī)械化學(xué)改性法是利用超細(xì)粉碎過程及其他強(qiáng)烈機(jī)械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無定形化，增強(qiáng)它與有機(jī)物或其他無機(jī)物的反應(yīng)活性。機(jī)械化學(xué)作用可以強(qiáng)顆粒表面的活性點(diǎn)和活性基團(tuán)，增強(qiáng)其與有機(jī)基質(zhì)或有機(jī)表面改性劑的使用。以機(jī)械力化學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機(jī)械融合技術(shù)，是一種對(duì)無機(jī)顆粒進(jìn)行復(fù)合處

5、理或表面改性，如表面復(fù)合、包覆、分散的方法。能夠?qū)︻w粒進(jìn)行激活的粉碎設(shè)備主要有各種類型的球磨機(jī)，氣磨機(jī)和機(jī)械沖擊式磨機(jī)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(gòu)的納米粒子。由于外層是有機(jī)聚合物，所以可以提高粉體與有機(jī)物的親和力再者它是一種內(nèi)硬外軟的核一殼結(jié)構(gòu)的納米粒子可以填充到塑料或者橡膠中時(shí)可以改變它們的力學(xué)性能原位聚合改性法可分為無皂乳液聚合包覆法，預(yù)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(yīng)，包覆或包膜來實(shí)現(xiàn)的。因此，表面改性劑對(duì)于粉體的表面改性或表面處

6、理具前應(yīng)用的表面改性劑主要有偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機(jī)硅、不飽和有機(jī)酸及有機(jī)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(gòu)的化合物，按其結(jié)構(gòu)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(tuán)可與無機(jī)粉體表面的各種官能團(tuán)反應(yīng)，形成有力的化學(xué)鍵：另一部分基團(tuán)則可與有機(jī)高聚物發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)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(jī)粉體和有機(jī)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(xué)藥品。有

7、機(jī)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(tuán)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(jī)基改性聚硅氧烷及有機(jī)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(shè)備和粉體制備方法而異。目前工業(yè)上應(yīng)用的表面改性工藝豐要有干法工藝、濕法工藝、復(fù)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(jī)改性工藝和無機(jī)改性工藝；復(fù)合工藝又可分為機(jī)械化學(xué)與表面化學(xué)包覆改性復(fù)合工藝，干燥與表面化學(xué)包覆改性復(fù)合工藝，沉淀反應(yīng)與表面化學(xué)包覆改

8、性復(fù)合工藝等。干法工藝：是一種應(yīng)用最為廣泛的非金屬礦物粉體表面改性工藝。目前對(duì)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(diǎn)是可以在較大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)表面改性的時(shí)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(dòng)強(qiáng)度大，有粉塵污染，難以適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，一般應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)。連續(xù)式改性工藝的特點(diǎn)是粉體與表面改性劑的分散較好，顆粒表面包覆較均勻，單位產(chǎn)品改性劑耗量較少，勞動(dòng)強(qiáng)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

9、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(fù)合材料的無機(jī)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(diǎn)，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(jī)表面改性劑以及前段為濕法制粉(包括濕法機(jī)械超細(xì)粉碎和化學(xué)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(xì)磨重質(zhì)碳酸鈣、超細(xì)氫氧化鋁與氫氧化鎂、超細(xì)二氧化硅等的表面改性，這是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)后生成的漿料即使不進(jìn)行濕法表面改性也要進(jìn)行過濾和干燥，在過濾和干燥之前進(jìn)行表面改性，還可使物料干燥后不形成硬團(tuán)聚，

10、改善其分散性。無機(jī)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(yīng)和后續(xù)洗滌，脫水、煅燒或焙燒等工序或過程。復(fù)合工藝：1機(jī)械力化學(xué)與表面化學(xué)包覆復(fù)合改性工藝：是在機(jī)械力作用或細(xì)磨、超細(xì)磨過程中添加表面改性劑，在粉體粒度減小的同時(shí)對(duì)顆粒進(jìn)行表面化學(xué)包覆改性的工藝。這種復(fù)合表面改性工藝的特點(diǎn)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，產(chǎn)生新的表面，顆粒包覆難以均勻，要設(shè)計(jì)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(shè)備的散熱不好，強(qiáng)烈機(jī)械力作用過程中局部的過高溫升

11、可能使部分表面改性劑分解或分子結(jié)構(gòu)被破壞。2干燥與表面化學(xué)包覆改性復(fù)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(shí)對(duì)粉體顆粒進(jìn)行表面化學(xué)包覆改性的復(fù)合工藝。3沉淀反應(yīng)表面化學(xué)包覆復(fù)合改性工藝：是在沉淀反應(yīng)改性之后再進(jìn)行表面化學(xué)包覆改性，實(shí)質(zhì)上是一種無機(jī)有機(jī)復(fù)合改性工藝。這種復(fù)合改性工藝已廣泛用于復(fù)合鈦白粉表面改性，即在沉淀包覆SiO：或A1203薄膜的基礎(chǔ)上，再用鈦酸酯、硅烷及其他有機(jī)表面改性劑對(duì)Ti02Si02或A1203復(fù)合顆粒進(jìn)行表面有機(jī)包覆改性。五 表面改性設(shè)備粉體表面改性的方法很多，可采用的設(shè)備也是各種各樣。目前在這些設(shè)備中專用設(shè)備較少，大多數(shù)是從化工，塑料，粉

12、碎，分散等行業(yè)中引用過來的。根據(jù)所應(yīng)用的表面改性工藝的不同，表面改性設(shè)備可分為干法設(shè)備和濕法設(shè)備兩大類。其中干法設(shè)備主要有高速加熱式混合機(jī)，臥式加熱混合機(jī)，SLG型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)，PSC型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)，高速?zèng)_擊式粉體表面改性機(jī)機(jī)械融合式粉體表面改性機(jī)，流態(tài)化床式粉體表面改性機(jī)，漩渦磨等，濕法設(shè)備主要是可控溫反應(yīng)釜，反應(yīng)罐或攪拌反應(yīng)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(xué)性質(zhì)如表面潤濕能，表面能，表面電性光學(xué)性能包覆量表面結(jié)構(gòu)，形貌和表面化學(xué)組成等來表征表面改性的效果。間接法：通過測定表面改性

13、后粉體在確定的應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用性能如填充高聚物基復(fù)合材料的力學(xué)性能，電性能，涂料和涂層材料的光，電，熱，化學(xué)性能等來表征表面改性的效果。表面改性技術(shù)的發(fā)展(1)表面改性工藝與設(shè)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(jī)會(huì)均等、表面改性劑包覆均勻、改性溫度和停留時(shí)間可調(diào)、單位產(chǎn)品能耗和磨耗應(yīng)較低，無粉塵污染的先進(jìn)工藝與裝備集成，并在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)對(duì)豐要工藝參數(shù)和改性劑用量進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)控，以實(shí)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(chǔ)上、采用先進(jìn)技術(shù)降低生產(chǎn)成本，尤其是各種偶聯(lián)劑的成本；同時(shí)采用先進(jìn)化學(xué)、高分子、生化和化工科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研發(fā)應(yīng)用性能好、成本低、在某些應(yīng)用領(lǐng)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型