粉體材料的八大改性理由及6大表面改性方法
發布時間：2024-01-17 來源：未知 分享到：
粉體表面改性是指用物理、化學、機械等方法對粉體表面進行處理，根據應用的需要有目的的改變粉體表面的物理化學性質或賦予其新的功能，以滿足現代新材料、新工藝和新技術發展的需要。在塑料、橡膠、膠粘劑等高分子材料工業及高聚物基復合材料領域中，無機礦物填料占有很重要的地位。但由于無機粉體填料與基質，即有機高聚物的表面或界面性質不同，相容性較差，因而難以在基質中均勻分散，直接或過多地填充往往容易導致材料的某些力學性能下降以及易脆化等缺點。因此，必須對無機粉體填料表面進行改性，以改善其表面的物理化學特性，增強其與基質，即有機高聚物或樹脂等的相容性和在有機基質中的分散性，以提高材料的機械強度及綜合性能。表面改性是無機填料由一般增量填料變為功能性填料所必需的加工手段之一，同時也為高分子材料及有機/無機復合材料的發展提供了新的技術方法，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主要目的。涂料的著色顏料和體質顏料多為無機粉體，為了提高其在有機基質油漆或涂料中的分散性，要對其進行表面改性，以改善其表面的濕潤性，增強與基體的結合力。在新發展的具有電、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，而且要求具有一定的功能。因此，必須對其進行表面處理。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機物包覆，如用氧化鋁、二氧化硅包覆鈦白粉可改善其耐候性等性能。在成為當今流行化趨勢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，還要求無機顏料和填料具有較長時間的分散穩定性和良好的流變性，這也是水性涂料中應用的顏料和填料必須要進行表面改性或表面處理的原因之一。當今許多高附加值產品要求有良好的光學效應和視覺效果，使制品更富色彩。這就需要對一些粉體原料進行表面處理，以賦予制品良好的光澤和裝飾效果。如白云母粉經氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵、氧化鋯等金屬氧化物進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，顯著提高了這些產品的價值。在無機/無機復合新材料中，無機組分之間的分散性對于材料的最終性能有很大的影響。特別是當小組分陶瓷顏料在大組分陶瓷坯料中分散時，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品的檔次。使用分散性能好的陶瓷顏料不僅可以使最終產品的色澤好，而且用量少，可減少昂貴的顏料的用量。因此，無機顏料或組分的表面處理（提高在無機相中的分散性）對無機/無機復合材料的發展也有重要意義。在許多層狀晶體結構的粉體材料中，利用晶體層之間較弱的分子鍵連接或層間離子的可交換性而進行的插層改性，可產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或功能。如石墨經過層間化學處理制成的層間化合物，其性質大大優于石墨，具有耐高溫、抗熱震、防氧化、耐腐蝕、潤滑性和密封性等優良性能或功能，是制備新型導電材料、電極材料、儲氫材料、柔性石墨、密封材料的原料，其應用范圍已擴大到冶金、石油、化工、機械、航空航天、原子能、新型能源等領域。膨潤土層間有機改性后的有機膨潤土在非極和弱極性溶劑中也顯示出良好的膨脹、吸附、觸變和粘結等特性。對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、穩定性、機械強度等性能，也需要對其進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浸漬法負載金屬氧化物、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上發展的一種新的粉體材料，具有良好的應用前景。但是納米粉體的比表面積大，表面原子數多，表面能高，在制備、儲運和使用過程中很容易團聚形成二次、三次或更大的顆粒，從而不能發揮其應有的納米效應。因此，納米粉體的表面處理或表面改性對改善和提高納米粉體的應用性能、加速其工業應用具有至關重要的意義。表面改性是根據應用需要有目的地改變粉體材料表面的物理化學性質，以滿足現代新材料、新工藝和新技術發展的需求，在粉體加工和應用過程中越來越受到重視，目前主要有6大類改性方法。方法原理：利用高聚物或樹脂等對粉體表面進行處理，一般包括冷法和熱法兩種。影響因素：顆粒形狀、比表面積、孔隙率、涂敷劑的種類及用量、涂敷處理工藝等。方法原理：利用有機物分子中的官能團在無機粉體表面的吸附或化學反應對顆粒表面進行包覆，一般包括干法和濕法兩種。除利用表面官能團改性外，該方法還包括利用游離基反應、鰲合反應、溶膠吸附等進行表面包覆改性。改性劑：如硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸鹽、有機鉻等各種偶聯劑，高級脂肪酸及其鹽，有機銨鹽及其他各種類型表面活性劑，磷酸酯，不飽和有機酸，水溶性有機高聚物等。影響因素：粉體的表面性質，改性劑種類、用量和使用方法，改性工藝，改性設備等。適用對象：石英砂、硅微粉、碳酸鈣、高嶺土、滑石、膨潤土、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、氧化鋁等各類粉體。方法原理：通過無機化合物在顆粒表面的沉淀反應，在顆粒表面形成一層或多層“包膜”，以達到改善粉體表面性質，如光澤、著色力、遮蓋力、保色性、耐候性、電、磁、熱性和體相性質等。改性劑：金屬氧化物、氫氧化物及其鹽類等各類無機化合物。影響因素：原料的性質（粒度大小和形狀、表面官能團），無機表面改性劑的品種，漿液的pH值、濃度，反應溫度和反應時間，洗滌、脫水、干燥或焙燒等后續處理工序。方法原理：利用超細粉碎及其他強烈機械作用，有目的的對粉體表面進行激活，在一定程度上改變顆粒表面的晶體結構、溶解性能（表面無定形化）、化學吸附和反應活性（增加表面活性點或活性基團）等。改性設備及藥劑：球磨機、氣流粉碎機、高速機械沖擊磨等，助磨劑、分散劑、改性劑等。影響因素：粉碎設備的類型、機械作用的方式、粉碎環境（干、濕、氣氛等）、助磨劑或分散劑的種類和用量、機械力的作用時間以及粉體物料的晶體結構、化學組成、粒度大小和粒度分布等。適用對象：高嶺土、滑石、云母、硅灰石、鈦白粉等各類粉體。方法原理：利用層狀結構的礦物粉體顆粒晶體層之間結合力較弱（如分子鍵或范德華力）或存在可交換陽離子的特性，通過離子交換反應或化學反應改變粉體的界面性質和其他性質的改性方法。改性劑：季銨鹽類、聚合物、有機單體、氨基酸等有機插層劑，羧基鈦、金屬氧化物、無機鹽等無機插層劑。影響因素：原料的性質、反應環境、插層劑種類和用量等。適用對象：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粉體進行表面改性的方法。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中的分散性。用微波輻射和空氣等離子體處理對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。但目前，該方法技術較復雜，成本較高，還難以大規模工業化。
