粉体表面改性又称表面修饰、表面处理等，是指采用一定的方法（物理、化学或者机械等）对粒子的表面进行处理、修饰及加工，有目的地改变粉体表面的物理、化学性质，以满足粉体加工及应用的一门技术和学科。因此，了解粉体的物理和化学性质，对于有效地改变粉体表面的这些性质以实现高效粉体改性至关重要。

与粉体应用及表面改性有关的粉体表面及界面特性主要有：比表面积、表面能、表面润湿性、表面吸附与反应特性、表面电性、表面化学组成等。

1、比表面积

粉体材料的比表面积与其粒度大小和粒度分布及孔隙率等有关。对于粉体材料而言，比表面与颗粒度相关，颗粒越细，比表面越大；与颗粒表面的粗糙度相关，表面越粗糙，比表面越大；与颗粒表面的孔关系极大，多孔粉体的比表面积急剧增大，微孔发达的粉体材料的比表面可以高达每克几千平方米。

比表面积是粉体材料最重要的表面性质之一，也是确定表面改性剂用量的主要依据之一。表面改性剂的用量与粉体的比表面积有关，比表面积越大，达到同样包覆率所需的表面改性剂的用量就越多。

图1：颗粒的开孔与闭孔

比表面积包含了外表面以及所有与表面相通的孔的内表面积，理想的非孔性物料只具有外表面积，有孔和多孔物料具有外表面积和内表面。想要了解比较表面测试方法的可以点击：粉体比表面积测试方法对比分析及应用领域。

2、表面能

粉体的表面能与其结构、原子之间的键型及结合力、表面原子数以及表面官能团等有关。物料经粉碎后产生了新的表面，部分机械能转变为新生表面的表面能。一般来说，粉体的表面能越高，越倾向于团聚，吸水及粘附作用也就越强。除了本身的物质组成和结构性质之外，影响固体粉料表面能的因素还有很多，如空气中的湿度、蒸气压、表面吸附水、表面吸附物及污染等。反气相色谱技术是表征表面能的常用技术。

图2：SMS的反气相色谱表面能分析仪（IGC-SEA）

超细粉体，尤其是纳米级粉体的粒径很小，表面能高，很容易发生团聚，形成二次粒子，无法表现出其受人青睐的表面积效应、体积效应及量子尺寸效应等。对于用作高聚物基复合材料的无机非金属填料来讲，表面能越高，越难在有机基质（如树脂）中均匀分散。降低无机填料的表面能，使其易于在高聚物基料中分散是对无机填料进行有机表面改性的主要目的之一。

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3、表面润湿性

无机粉体表面的润湿性或疏水性的大小是其用作塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的填料及油性涂料填料或颜料的重要表面性质之一。为了增强无机填料或颜料与有机高聚物基料的相容性或亲和性，无机填料或颜料表面应达到一定程度的疏水或亲油性。有机表面改性可以增进无机填料或颜料在有机高聚物中的润湿分散性，即提高其疏水性或亲油性，从而增进其与高聚物基料的相容性。

粉体的润湿性与粉体的种类、粒径和形状、生成条件组分、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性等性质有关。例如，球形颗粒的润湿性要比形状不规则表面粗糙的颗粒差，粉体越细，润湿性越差，如石英的润湿性虽好，但粉碎成粉末后润湿性将大为下降。粉体的润湿性随压力的增大而增大，随温度的升高而下降。粉体的润湿性还与液体的表面张力及粉尘与液体之间的黏附力和接触方式有关。

粉末润湿性表征有很多种方法，其中最常见的当属粉末接触角测量。接触角大小可以直观的表征出粉末润湿性，一般认为接触角越大，粉末的疏水性越强，润湿性越差；接触角越小，粉末的亲水性越强，润湿性越好。但是，接触角的概念来源于液滴在固体表面的铺展模型，这种方法在测量粉末接触角时，需要先将粉末制成压片才能测量。而压片的密度、压实度、粗糙度等都可能对接触角测试结果产生影响，这与粉末的实际状态明显不符因此，因此粉末的接触角法存在可靠性差，误差大，一致性重复性较低的问题。

图3：液滴在固体表面的接触角示意图

除了接触角法以外,目前还有一种更适合测量粉体表面润湿性的方法,核磁共振弛豫法(简称弛豫法)。弛豫法是先把粉体制成浆料，再通过测量浆料的弛豫时间来表征粉体与溶剂的润湿性好坏，可以适用于粉体与任意溶剂之间的润湿性衡量。当粉体与溶剂的润湿性好时，粉体表面会吸附大量的溶剂分子，这部分溶剂分子会被粉体所束缚，弛豫时间会变得很短；而那些没被束缚的自由溶剂分子，它们的弛豫时间很长；束缚溶剂和自由溶剂的弛豫时间加权值就是仪器所测到的浆料弛豫时间，当这个弛豫时间越短时就表示粉体的润湿性越好，当这个弛豫时间越大时就表示粉体的润湿性越差。如下图所示为弛豫法的基本模型。

图4：浆料弛豫时间比束缚溶剂慢，比自由溶剂快

4、表面吸附特性

当气相或液相中的分子（或原子）碰撞在粉体表面时，它们之间的相互作用使一些分子（原子、离子）停留在粉体表面，造成这些分子（或原子、离子）在粉体表面上的浓度比在气相或液相中的浓度大，这种现象称为吸附。通常称粉体为吸附剂，被吸附的物质为吸附质，粉体的比表面积越大，吸附现象就越显著。

粉体的表面改性及表面改性剂在粉体颗粒表面的吸附作用与粉体材料的表面吸附特性有很大的关系，测定吸附类型不仅可以了解表面改性剂分子与粉体颗粒之间作用的强弱，而且还有助于研究表面改性剂与无机颗粒之间的作用机理。

图5：物理吸附及化学吸附的区别

粉体对液体或气体的吸附，按其作用力的性质不同可分为两种，一种是物理吸附，在吸附过程中物质不改变原来的性质，因此吸附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。另一种是化学吸附，在吸附过程中不仅有引力，还运用化学键的力，因此吸附能较大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了化学变化，不再是原来的物质了，一般催化剂都是以这种吸附方式起作用。

①物理吸附

物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，即所谓的范德华力。因此，物理吸附又称范德华吸附，它是一种可逆过程。物理吸附理论中的气体吸附理论，主要有朗缪尔单分子层吸附理论、波拉尼吸附势能理论、BET多层吸附理论、二维吸附膜理论和极化理论等，以前三种理论应用最广。物理吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、环境保护等部门和领域都有广泛的应用，最常用的是从气体和液体介质中回收有用物质或去除杂质，如气体的分离、气体或液体的干燥、油的脱色等。

②化学吸附

化学吸附与固体表面结构有关。表面结构化学吸附的研究中有许多新方法和新技术，例如场发射显微镜、场离子显微镜、低能电子衍射、红外光谱、核磁共振、电子能谱化学分析、同位素交换法等。其中，场发射显微镜和场离子显微镜能直接观察不同晶面上的吸附以及表面上个别原子的位置，故为各种表面的晶格缺陷、吸附性质及机理的研究提供了最直接的证据。

5、表面电性

粉体表面的电性是由粉体表面的荷电离子，如H+、0H-等决定的。粉体物料在溶液中的电性还与溶液的pH值及溶液中的离子类型有关。粉体表面的荷电性与其大小影响颗粒之间、颗粒与表面活性剂分子及其它化学物质之间的静电作用力，因而影响颗粒之间的凝聚和分散特性以及表面改性剂在颗粒表面的吸附作用。

图6：ZETA电位（Zeta potential）是指剪切面（Shear Plane）的电位，又叫电动电位或电动电势（ζ-电位或ζ-电势），是表征胶体分散系稳定性的重要指标

Zeta电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta电位的绝对值（正或负）越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta电位（正或负）越低，越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。

目前测量Zeta 电位的方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法以及超声波法，其中以电泳法应用最广。

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6、表面化学性质

粉体表面的化学性质与粉体物料的晶体结构、化学组成、表面吸附物等有关，它决定了粉体在一定条件下的吸附和化学反应活性以及表面电性和润湿性等，因此，对其应用性能以及与表面改性剂分子的作用有重要影响。在溶液中粉体表面的化学性质还与溶液的pH值有关。

参考资料：

1、粉体表面改性（第三版），郑水林、王彩丽编著，中国建材工业出版社。

2、粉体润湿性的表征新方法---核磁弛豫法，北京拉莫尔，知乎。

3、普通高等教育十四五规划教材 非金属矿加工与应用（2022），王森，卜显忠编

编辑：Alpha