粉體材料的八大改性理由及6大表面改性方法
發(fā)布時(shí)間：2024-01-17 來(lái)源：未知 分享到：
粉體表面改性是指用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法對(duì)粉體表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的的改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)或賦予其新的功能，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。在塑料、橡膠、膠粘劑等高分子材料工業(yè)及高聚物基復(fù)合材料領(lǐng)域中，無(wú)機(jī)礦物填料占有很重要的地位。但由于無(wú)機(jī)粉體填料與基質(zhì)，即有機(jī)高聚物的表面或界面性質(zhì)不同，相容性較差，因而難以在基質(zhì)中均勻分散，直接或過(guò)多地填充往往容易導(dǎo)致材料的某些力學(xué)性能下降以及易脆化等缺點(diǎn)。因此，必須對(duì)無(wú)機(jī)粉體填料表面進(jìn)行改性，以改善其表面的物理化學(xué)特性，增強(qiáng)其與基質(zhì)，即有機(jī)高聚物或樹(shù)脂等的相容性和在有機(jī)基質(zhì)中的分散性，以提高材料的機(jī)械強(qiáng)度及綜合性能。表面改性是無(wú)機(jī)填料由一般增量填料變?yōu)楣δ苄蕴盍纤匦璧募庸な侄沃?，同時(shí)也為高分子材料及有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的發(fā)展提供了新的技術(shù)方法，這是粉體表面改性最主要的目的之一。提高涂料或油漆中顏料的分散性，并改善涂料的光澤、著色力、遮蓋力和耐候性、耐熱性、抗菌防霉性和保色性等是粉體表面改性的第二個(gè)主要目的。涂料的著色顏料和體質(zhì)顏料多為無(wú)機(jī)粉體，為了提高其在有機(jī)基質(zhì)油漆或涂料中的分散性，要對(duì)其進(jìn)行表面改性，以改善其表面的濕潤(rùn)性，增強(qiáng)與基體的結(jié)合力。在新發(fā)展的具有電、磁、聲、熱、光、抗菌防霉、防腐、防輻射、特種裝飾等功能的所謂特種涂料中的填料和顏料不僅要求粒度超細(xì)，而且要求具有一定的功能。因此，必須對(duì)其進(jìn)行表面處理。此外，為提高某些顏料的耐候性、耐熱性以及遮蓋力和著色力等，用一些性能較好的無(wú)機(jī)物包覆，如用氧化鋁、二氧化硅包覆鈦白粉可改善其耐候性等性能。理由三：賦予顏填料良好的分散穩(wěn)定性和流變性在成為當(dāng)今流行化趨勢(shì)之一的水性建筑裝飾涂料中，除了與其他組分的相容性和配伍性之外，還要求無(wú)機(jī)顏料和填料具有較長(zhǎng)時(shí)間的分散穩(wěn)定性和良好的流變性，這也是水性涂料中應(yīng)用的顏料和填料必須要進(jìn)行表面改性或表面處理的原因之一。當(dāng)今許多高附加值產(chǎn)品要求有良好的光學(xué)效應(yīng)和視覺(jué)效果，使制品更富色彩。這就需要對(duì)一些粉體原料進(jìn)行表面處理，以賦予制品良好的光澤和裝飾效果。如白云母粉經(jīng)氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵、氧化鋯等金屬氧化物進(jìn)行表面改性后用于化妝品、塑料制品、淺色橡膠、油漆、特種涂料、皮革等，可賦予這些制品珠光效應(yīng)，顯著提高了這些產(chǎn)品的價(jià)值。在無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合新材料中，無(wú)機(jī)組分之間的分散性對(duì)于材料的最終性能有很大的影響。特別是當(dāng)小組分陶瓷顏料在大組分陶瓷坯料中分散時(shí)，例如在彩色陶瓷地磚中添加的陶瓷顏料，其分散性直接影響陶瓷制品色彩的均勻性和產(chǎn)品的檔次。使用分散性能好的陶瓷顏料不僅可以使最終產(chǎn)品的色澤好，而且用量少，可減少昂貴的顏料的用量。因此，無(wú)機(jī)顏料或組分的表面處理（提高在無(wú)機(jī)相中的分散性）對(duì)無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的發(fā)展也有重要意義。理由六：賦予功能特性，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域在許多層狀晶體結(jié)構(gòu)的粉體材料中，利用晶體層之間較弱的分子鍵連接或?qū)娱g離子的可交換性而進(jìn)行的插層改性，可產(chǎn)生一種新型的礦物層間化合物，如粘土層間化合物和石墨層間化合物。這些層間化合物具有原礦物粉體所不具有的新的物化性質(zhì)或功能。如石墨經(jīng)過(guò)層間化學(xué)處理制成的層間化合物，其性質(zhì)大大優(yōu)于石墨，具有耐高溫、抗熱震、防氧化、耐腐蝕、潤(rùn)滑性和密封性等優(yōu)良性能或功能，是制備新型導(dǎo)電材料、電極材料、儲(chǔ)氫材料、柔性石墨、密封材料的原料，其應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到冶金、石油、化工、機(jī)械、航空航天、原子能、新型能源等領(lǐng)域。膨潤(rùn)土層間有機(jī)改性后的有機(jī)膨潤(rùn)土在非極和弱極性溶劑中也顯示出良好的膨脹、吸附、觸變和粘結(jié)等特性。對(duì)于吸附和催化粉體材料，為了提高其吸附和催化活性以及選擇性、穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等性能，也需要對(duì)其進(jìn)行表面處理或表面改性。例如，在活性炭、硅藻土、氧化鋁、硅膠、海泡石、沸石等粉體表面通過(guò)浸漬法負(fù)載金屬氧化物、堿或堿土金屬、稀土氧化物以及銅、銀、金、鋁、鉆、鉑、鈀、鎳等金屬或貴金屬。納米粉體是在微米粉體基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新的粉體材料，具有良好的應(yīng)用前景。但是納米粉體的比表面積大，表面原子數(shù)多，表面能高，在制備、儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程中很容易團(tuán)聚形成二次、三次或更大的顆粒，從而不能發(fā)揮其應(yīng)有的納米效應(yīng)。因此，納米粉體的表面處理或表面改性對(duì)改善和提高納米粉體的應(yīng)用性能、加速其工業(yè)應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。表面改性是根據(jù)應(yīng)用需要有目的地改變粉體材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需求，在粉體加工和應(yīng)用過(guò)程中越來(lái)越受到重視，目前主要有6大類(lèi)改性方法。方法原理：利用高聚物或樹(shù)脂等對(duì)粉體表面進(jìn)行處理，一般包括冷法和熱法兩種。改性劑：高聚物、酚醛樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂等。影響因素：顆粒形狀、比表面積、孔隙率、涂敷劑的種類(lèi)及用量、涂敷處理工藝等。方法原理：利用有機(jī)物分子中的官能團(tuán)在無(wú)機(jī)粉體表面的吸附或化學(xué)反應(yīng)對(duì)顆粒表面進(jìn)行包覆，一般包括干法和濕法兩種。除利用表面官能團(tuán)改性外，該方法還包括利用游離基反應(yīng)、鰲合反應(yīng)、溶膠吸附等進(jìn)行表面包覆改性。改性劑：如硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸鹽、有機(jī)鉻等各種偶聯(lián)劑，高級(jí)脂肪酸及其鹽，有機(jī)銨鹽及其他各種類(lèi)型表面活性劑，磷酸酯，不飽和有機(jī)酸，水溶性有機(jī)高聚物等。影響因素：粉體的表面性質(zhì)，改性劑種類(lèi)、用量和使用方法，改性工藝，改性設(shè)備等。適用對(duì)象：石英砂、硅微粉、碳酸鈣、高嶺土、滑石、膨潤(rùn)土、重晶石、硅灰石、云母、硅藻土、水鎂石、硫酸鋇、白云石、鈦白粉、氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化鋁等各類(lèi)粉體。方法原理：通過(guò)無(wú)機(jī)化合物在顆粒表面的沉淀反應(yīng)，在顆粒表面形成一層或多層“包膜”，以達(dá)到改善粉體表面性質(zhì)，如光澤、著色力、遮蓋力、保色性、耐候性、電、磁、熱性和體相性質(zhì)等。改性劑：金屬氧化物、氫氧化物及其鹽類(lèi)等各類(lèi)無(wú)機(jī)化合物。影響因素：原料的性質(zhì)（粒度大小和形狀、表面官能團(tuán)），無(wú)機(jī)表面改性劑的品種，漿液的pH值、濃度，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，洗滌、脫水、干燥或焙燒等后續(xù)處理工序。適用對(duì)象：鈦白粉、珠光云母、氧化鋁等無(wú)機(jī)顏料。方法原理：利用超細(xì)粉碎及其他強(qiáng)烈機(jī)械作用，有目的的對(duì)粉體表面進(jìn)行激活，在一定程度上改變顆粒表面的晶體結(jié)構(gòu)、溶解性能（表面無(wú)定形化）、化學(xué)吸附和反應(yīng)活性（增加表面活性點(diǎn)或活性基團(tuán)）等。改性設(shè)備及藥劑：球磨機(jī)、氣流粉碎機(jī)、高速機(jī)械沖擊磨等，助磨劑、分散劑、改性劑等。影響因素：粉碎設(shè)備的類(lèi)型、機(jī)械作用的方式、粉碎環(huán)境（干、濕、氣氛等）、助磨劑或分散劑的種類(lèi)和用量、機(jī)械力的作用時(shí)間以及粉體物料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、粒度大小和粒度分布等。適用對(duì)象：高嶺土、滑石、云母、硅灰石、鈦白粉等各類(lèi)粉體。方法原理：利用層狀結(jié)構(gòu)的礦物粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱（如分子鍵或范德華力）或存在可交換陽(yáng)離子的特性，通過(guò)離子交換反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)改變粉體的界面性質(zhì)和其他性質(zhì)的改性方法。改性劑：季銨鹽類(lèi)、聚合物、有機(jī)單體、氨基酸等有機(jī)插層劑，羧基鈦、金屬氧化物、無(wú)機(jī)鹽等無(wú)機(jī)插層劑。影響因素：原料的性質(zhì)、反應(yīng)環(huán)境、插層劑種類(lèi)和用量等。適用對(duì)象：高嶺土、石墨、云母、水滑石、蛭石、累托石、金屬氧化物以及層狀硅酸鹽等。方法原理：指利用紫外線、紅外線、電暈放電、等離子體照射和電子束輻射等方法對(duì)粉體進(jìn)行表面改性的方法。例如：用ArC3H6低溫等離子處理碳酸鈣，可改善碳酸鈣與PP的界面黏結(jié)性。用紅外照射法在炭黑表面接枝聚苯乙烯等聚合物，可顯著改善炭黑在介質(zhì)中的分散性。用微波輻射和空氣等離子體處理對(duì)多孔二氧化硅表面有激活作用，可使其表面羥基含量增加，水合效果增強(qiáng)。但目前，該方法技術(shù)較復(fù)雜，成本較高，還難以大規(guī)模工業(yè)化。
