一文了解微/纳米粉体常用的几种表面包覆改性技术

发布时间 | 2024-11-05 10:08 分类 | 粉体加工技术点击量 | 1084

干燥纳米材料

导读：微纳米粉体表面包覆技术通过在微纳米粒子表面形成一层或多层包覆层，可以有效地改善粒子间的相互作用力，减少团聚现象的发生，同时还能赋予材料新的功能特性，如提高化学稳定性、增强机械强度、...

微纳米颗粒由于高比表面积、高反应活性、量子尺寸效应等特性，具有许多常见块体材料所没有的物理化学特性，在众多领域得到了广泛的应用，不过也正因为微纳米颗粒的小尺寸和大比表面积，极容易发生团聚现象，这不仅影响了材料的分散性和加工性能，甚至还可能反而降低最终产品的性能，加之，对于一些功能性微纳米粉体而言，其表面性质往往决定了材料的最终用途。因此，对微纳米颗粒的表面进行进一步的修饰、改性或包覆，对于拓展微纳米材料的应用具有重要意义。

微纳米粉体表面包覆技术通过在微纳米粒子表面形成一层或多层包覆层，可以有效地改善粒子间的相互作用力，减少团聚现象的发生，同时还能赋予材料新的功能特性，如提高化学稳定性、增强机械强度、改善生物相容性等，是常用的改性手段之一。根据包覆材料的选择，微纳米表面包覆技术可分为有机包覆和无机包覆。

一、有机包覆

有机包覆是指利用有机化合物（如聚合物、表面活性剂、蛋白质等）对微纳米粉体进行表面修饰，有机材料因其分子结构的多样性，用于包覆改性能够更容易地引入多种功能基团，实现多样的功能化改性，同时由于包覆材料更容易获得，通常成本也较低。

1、自组装技术

自组装是指颗粒基于非共价键（包括范得华力、氢键、静电力等只能作用于分子水平的非共价键力和能作用于较大尺寸范围的表面张力、毛细管力等）的相互作用下自发形成有序结构的一种技术，如采取表面活性剂等。这种方法不仅简单高效，在实际操作中不需要过多特殊的操作设备，而且能够利用特定组装单元，控制组装条件，精确调节包覆层的厚度和组成，同时与共价相互作用相比，非共价相互作用的动态可逆性赋予了所获得的功能材料独特的性质，如刺激响应性、形态可变性、自愈合性和可降解性，这些特性在诸如药物递送和释放、生物技术、催化和能量转换等应用中都起到非常重要的作用。

2、接枝聚合包覆法

接枝聚合包覆法是在微纳米颗粒表面的活性点上预先接枝可参与聚合反应的基团（通常为小分子），然后加入单体和引发剂进行聚合包覆反应，使聚合后的有机高分子基体包覆微纳米颗粒的表面上。

碳纤维与酸化碳纳米纤维之间接枝反应的示意图（Zheng等，2019）

该方法可通过选用特定的单体，设计不一样特性的包覆层，并可改变反应时间或引发剂的接枝密度可以控制聚合物的厚度和接枝密度，因此这种方法也是一种比较可控的包覆技术。

3、微乳液聚合法

微乳液聚合法是利用单体、引发剂和助乳化剂（助稳定剂）在表面活性剂的作用下形成稳定的W/O(油包水)乳液，然后乳液液滴在机械搅拌、超声波振荡或高压匀质机的作用下被细化成微小水核，最后通过微乳聚合对粉体进行包覆改性，其优点在于能够得到相对均匀的包覆层。

二、无机包覆

无机包覆通常指的是使用无机材料（如金属氧化物、金属硫化物、硅酸盐等）作为包覆层，覆盖在微纳米粉体的表面上。由于无机材料普遍性质较为稳定，且硬度较高，因此这种包覆方法能够显著提高粉体材料的热稳定性、化学稳定性和机械强度。

1、气相包覆技术

气相包覆是指利用气态反应物进行化学反应或者物理反应使其在纳米颗粒表面沉积生成无机包覆层。目前用于包覆颗粒的气相化学方法有多种，如化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（atomiclayerdeposition，ALD）等。

CVD法是将气相前驱体引入反应腔室，在适当的温度、压力和存在催化剂条件下，这些气体发生化学反应并快速沉积在颗粒表面上形成改性层。而ALD技术则是一种自限性气相趁机技术，通过将气相前驱体交替脉冲通入反应室并在颗粒表面逐层沉积形成包覆层，具有精度高、均匀性好、厚度可控和覆盖性优异的优点，但沉积速率不及CVD技术。

ALD沉积原理

总体而言，无论是CVD法还是ALD法，这类气相包覆技术都具有纯度高、均匀性好、控制精确和无溶剂污染的优点，但由于设备昂贵，工艺复杂，在实际加工应用过程中对包覆设备的要求很高，不利于其广泛进行推广应用

2、固相包覆技术

固相包覆是在固相条件下进行的化学反应，与其他包覆工艺相比，这类包覆工艺主要采用机械设备以及混料设备、研磨设备对固相材料进行机械处理，从而实现颗粒的包覆，具有操作简单、成本低和易于处理的优势，因此被广泛应用于工业生产中，但在实际操作中，颗粒的粒度分布及形貌往往难以达到预期，且同时面临着适用范围有限和能耗较高等问题。

固相包覆技术

3、液相包覆技术

液相包覆技术就是通过化学的方法，在湿环境中实现表面包覆，相比固相包覆，更易于形成核壳结构，目前常用的液相方法有溶胶凝胶法、沉淀法等。

（1）溶胶凝胶法

溶胶-凝胶法主要是通过壳层源物质的综合化学反应以及醇解作用、水解作用等得到前驱物溶胶物质，这种溶胶物质还要经过事先处理的被包裹颗粒进行混合，然后溶胶转化为凝胶，通过干燥最终获取被包覆的粉体。利用该技术包覆改性，被包覆的复合型粒子不仅化学均匀性更好，而且能够使粒子的抗氧化性以及烧结性能得到不断的优化，所以此种技术工艺在实际的应用过程中能量损耗低、工艺设备相对简单、化学反应的温度较低，目前已被我国众多的工业生产企业所使用。