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什么是粉体的表面改性?
2022年12月29日 发布 分类:粉体入门 点击量:694
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粉体的表面改性是指采用物理、化学、机械等方法对粉体表面进行处理,有目的地改变颗粒表面的物理、化学性质,以满足科技与应用的需要。粉体的表面改性直接影响着粉体的使用价值和应用领域。粉体的表面改性与很多学科领域密切相关,是粉体工程与表面科学及其他众多学科的边缘学科。粉体表面改性包括改变颗粒表面晶体结构和官能团、表面能、表面润湿性、电磁性、光学性质以及表面吸附性和反应等特性。通过改变颗粒表面性质,可以改善粉体材料的应用性能,从而满足新材料、新工艺和新产品发展的需要。例如对膨润土进行有机阳离子覆盖处理,可提高其在弱极性或非极性体系中的膨胀、悬浮、触变等特性;通过表面改性,可提高涂料的分散性并改善涂料的光泽、着色力、遮盖力以及耐热性、保光性、保色性等。

粉体的表面改性方法很多,可分为物理表面改性、化学表面改性和机械化学改性三类。

物理表面改性

凡是不用表面改性剂或所使用的改性剂与粉体颗粒表面不发生化学反应而达到表面改性的方法称为物理表面改性。其常见方法有包覆改性和高能改性。

1.包覆改性

包覆改性是一种对粉体表面简单处理的方法,它是借助于黏附力,利用高聚物或树脂等对粉体进行包覆而达到表面改性的方法。例如,用聚乙二酸包覆硅灰石,将此改性硅灰石填充聚丙烯PP,能有效地提高PP的缺口冲击强度和低温性能;用酚醛树脂或呋喃树脂等包覆石英砂以提高精细铸造砂的黏结性能;用呋喃树脂包覆的石英砂用于油井钻探可提高油井产量等。

锂离子电池富锂正极材料的包覆改性过程

影响包覆改性效果的因素较多,一般来讲主要有颗粒的形状、比表面积、孔隙率、包覆剂的种类及用量、包覆处理工艺等。

以树脂包覆石英砂为例,表面包覆改性方法可分为冷法和热法两种。在包覆处理前对石英砂进行冲洗或擦洗和干燥

2.高能改性

高能改性是指利用超声波、紫外线、红外线、电晕放电、等离子体照射及其他高能射线辐射对粉体表面进行改性处理的方法。高能改性是粉体表面改性的一个新动向,可以完成其他方法所不能完成的任务。但是,该方法工艺复杂、成本高,因此在粉体表面处理方面受到限制。

化学表面改性

凡是使粉体颗粒表面发生化学反应而达到表面改性的方法称为化学表面改性。常见的有表面化学改性、沉淀反应改性、电化学改性和微胶囊化改性。

1.表面化学改性

通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应或化学吸附而使粉体材料表面得到改性的方法称为化学表面改性。除利用表面官能团改性外,这种方法还包括利用游离基反应、螯合反应、溶胶吸附以及偶联剂处理等进行表面改性。表面化学改性所使用的表面改性剂种类很多,常用的有偶联剂、高级脂肪酸及其盐、饱和有机酸和有机硅等。因此,改性剂的选择范围较大,具体选用时要综合考虑粉体的表面性质、改性产品的用途、质量要求、处理工艺以及表面改性剂的成本等因素。

硅烷偶联剂的反应机理

表面化学改性一般在高速加热混合机或捏合机、流态化床、研磨机等设备中进行。这是因为粉体的表面改性处理大多是在粉体物料中加入少量表面改性剂溶液进行的操作。如果在溶液中进行表面改性处理(如浸渍)也可在反应釜或反应罐中进行,处理完后再进行脱水干燥。

影响无机粉体物料表面化学改性的主要因素为:①颗粒的表面性质,如表面官能团的类型、表面酸碱性、水分含量、比表面积等;②表面改性剂的种类、用量及用法;③工艺设备及操作条件,如设备性能、物料的运动状态或机械对物料的作用方式、反应温度和反应时间等。

表面化学改性方法应用较广泛,主要用于无机填料或颜料的表面改性处理以及塑料和橡胶工业中以补强作用为目的的颗粒填料上。

2.沉淀反应改性

沉淀反应改性是指通过沉淀反应使无机化合物在颗粒表面沉积,以形成一层或多层包覆膜,从而达到改善粉体表面性质,如光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐候性、耐热性、电性、磁性等。沉淀反应改性是无机染料表面改性最常用的方法之一,沉淀反应改性一般是在粉体颗粒表面包覆无机氧化物(氧化物可以是多种)或氢氧化物及其盐类,如珠光云母的制备,即通过金属氧化物(氧化钛等)在白云母颗粒表面的沉淀反应包覆于云母颗粒表面而制得的;用氧化铝或二氧化硅处理二氧化钛(钛白粉);碳化硅晶须表面包裹三氧化二铝工艺等。

粉体的沉淀反应改性一般采用湿法,即在分散的粉体料浆中加入所需的改性(处理)剂,在适当的pH和温度下,使无机改性剂以氢氧化物或水合氧化物的形式均匀沉淀在颗粒表面,形成一层或多层包覆膜,然后经过洗涤、脱水、干燥、焙烧等工序使该包覆膜牢固地固定在颗粒表面,从而达到改进粉体表面性能的目的。

沉淀反应改性一般在反应釜或反应罐中进行。影响其改性效果的因素较多,主要有料浆的pH、浓度,反应温度和反应时间,颗粒的粒度、形状以及后续处理工序,如洗涤、脱水、干燥或焙烧等。其中pH及温度因直接影响无机改性剂在水溶液中的水解产物,是沉淀反应改性最重要的影响因素之一。

3.微胶囊化改性

微胶囊化改性是在粉体颗粒表面上覆盖均质并且有一定厚度薄膜的一种表面改性方法。微胶囊的直径大都在一到几百微米范围内,微胶囊的壁膜通常是连续且坚固的薄膜。微胶囊制备的方法较多,大致可分为物理法、化学法和物理化学法三类。微胶囊化改性不仅能制备无机-有机复合胶粒,还可利用其缓释性将固体药粉胶囊化,另外它还能够将液滴固体(胶囊)化。

微胶囊化改性最先应用于现代医药领域,目的是使药物超细粉的药效实现缓释效应。如今,微胶囊化改性应用领域越来越广泛,技术方法也多种多样。

机械化学改性

机械化学表面改性指的是通过粉碎、磨碎、摩擦等强烈机械力作用,有目的地对粉体表面进行激活,在一定程度上改变颗粒表面的晶体结构、溶解性能(表面无定形化)、化学吸附和反应活性(增加表面的活性点或活性基团)等。机械化学改性被认为是一种最具应用价值的高效改性方法,可用于填料表面的改性、表面接枝改性、粒-粒包裹改性等。影响机械激活作用强弱的主要因素是:粉碎设备的类型、机械作用的方式、粉碎环境(干、湿等)、助磨剂或分散剂的种类和用量、机械力的作用时间以及粉体的粒度大小与分布或比表面积等。能够对粉体材料进行机械激活的粉碎设备主要有各类型球磨机(筒式球磨机、行星球磨机、离心球磨机、搅拌球磨机、振动球磨机等)、气流磨及机械冲击式磨机等。

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蜂巢磨-改性机

目前仅仅依靠机械力激活作用于表面改性处理还难以满足应用领域对粉体表面物理化学性质的需要。但是,机械化学作用激活了颗粒表面,提高了颗粒与其他无机物或有机物的作用活性;利用机械力对表面的激活作用和由此产生的离子和游离基引发苯乙烯、烯烃类进行聚合,形成聚合物接枝的填料或使偶联剂等表面改性剂高效附着而实现改性。因此,如果在粉碎过程中添加表面活性剂及其他有机化合物,包括聚合物,那么机械激活作用可以促进这些有机化合物分子在无机粉体(如填料或颜料)表面的化学吸附或化学反应,达到边产生新表面边改性,即粒度减小和表面有机化同时进行的目的。此外,还可在一种无机粉体物料的粉碎过程中添加金属粉或另一种无机物,使无机核心材料表面包覆金属粉或另一种无机物粉体,或进行机械化学反应生成新相。

综上所述,粉体表面改性的方法多种多样其实除了上面所述还有酸碱处理方法,它是一种表面辅助处理方法,通过酸碱处理可以改善粉体表面(或界面)的吸附和反应活性。此外还有化学气相沉积(CVD)和物理沉积(PVD)等方法。


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