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颗粒的表面改性处理

来源:点击:3217发布时间:2015-09-21

颗粒的表面改性处理是伴随现代新型复合材料的兴起而发展起来的一个研究热点。虽然它的发展历史较短,但对于现代有机/无机复合材料、无机/无机复合材料、涂料或涂层材料、吸附与催化材料、环境材料以及超细粉体和纳米粉体的制备和应用具有重要的意义。颗粒表面的性质有时会影响到粉碎能否继续下去,也会影响到粉体能否被应用等重大问题。因此,通过有目的的控制或改变颗粒表面的性质,对颗粒的制备和应用具有重要的影响作用。颗粒表面改性处理技术主要包括:改性处理工艺、设备、改性剂、颗粒表面功能化处理等。

1.颗粒表面改性处理工艺

颗粒表面改性处理工艺主要包括:液相法处理、干法改性处理、气相法处理、机械力化学处理、高能辐射(包括等离子体、激光、电子束等)处理等。颗粒表面改性处理工艺按改性与颗粒制备二者的先后顺序可以分为原位处理和后处理,原位处理是在颗粒粉碎或者颗粒生成的同时,就有目的地控制或改变颗粒表面的性质。这对团聚性高的粉体是一种有效的解决方法。

液相法改性处理工艺特点是颗粒分散在液相中并吸附改性剂,颗粒改性效果稳定,改性剂在颗粒表面吸附均匀、完全,但是颗粒如果在干态下应用,还需进行干燥后处理,改性工艺流程复杂,成本较高。

干法改性处理工艺特点是颗粒在干态下进行分散,通过喷洒改性剂或改性剂溶液,在一定温度下使改性剂吸附在颗粒表面完成颗粒的表面改性处理。改性方法灵活,工艺简单,成本低,但在改性过程中难以对颗粒做到均一处理。

气相法改性处理工艺特点是分散在气相中的改性剂能够均匀地吸附在颗粒表面,颗粒改性效果稳定,与液相处理设备相比,改性后的粉体无需进行干燥处理。但受到改性过程中气固分离技术的限制,气相处理设备很难对亚微米级的颗粒进行表面改性处理。

机械力化学处理工艺特点是在颗粒的粉碎同时添加改性剂进行表面改性处理,在粉体粒度减小的同时对颗粒进行表面改性处理。由于粉碎过程中颗粒会产生大量高活性新生表面,并且粉碎过程中强烈机械作用可以对颗粒表面进行激活,有效改善改性剂在颗粒表面的吸附。该工艺可以将颗粒粉碎与表面改性二者有机的结合在一起,简化颗粒的加工工艺流程,并能够提高颗粒的粉碎效率及强化颗粒表面改性的效果。但由于改性过程中颗粒不断被粉碎,产生新的表面,颗粒表面难以完全吸附改性剂。

高能辐射改性工艺特点是直接通过高能辐射方式改变颗粒表面的电荷量来改变颗粒表面的性质,或者是利用高能辐射强化有机改性剂在颗粒表面的吸附,更好地对颗粒表面进行改性处理。

2.颗粒表面改性处理设备

颗粒液相法改性处理设备包括:可控温搅拌反应釜、可控温搅拌反应罐、湿法搅拌磨等。干法改性处理设备包括间歇式的高搅机和连续式的SLG型粉体表面改性机、PSC型粉体表面改性机等。机械力化学处理设备包括一些具有粉碎效果的设备,如振动磨、球磨机、气流粉碎机、行星磨等具有粉碎效果的设备。气相处理设备包括:流化床、气流湍流颗粒分散与改性设备等。高能辐射处理设备:包括等离子体型、激光束型、电子束型等设备。

3.颗粒表面改性剂

颗粒表面改性处理主要是依靠改性剂在颗粒表面的吸附来实现的,因此,改性剂的性质对改性后颗粒的表面性质起着决定性的作用。目前常用的改性剂有偶联剂(钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂)、表面活性剂、有机低聚物、有机硅等,其中偶联剂是目前无机颗粒最常用的一类改性剂。偶联剂与颗粒表面的作用机理有物理吸附理论、可逆水解平衡理论和化学键合理论等,其与有机基体的作用机理有化学键理论、浸润效应理论、界面层理论(可变形层理论和约束层理论)等。

4.微/纳米颗粒复合化改性

除了上述通过改性剂(主要为溶液)对颗粒表面进行改性处理外,这几年出现了很多复合功能颗粒材料。将微米/纳米颗粒子粒子附着在微米颗粒母粒子表面,以改变母粒子的表面性质、表面粗糙度、消除其尖锐的棱角、制备微纳米复合颗粒是目前一种新发展的颗粒表面改性处理方法。该方法使普通颗粒材料具有新的性能和功能,在满足需要的同时,降低功能组分的用量,提高经济效益。实现微/纳米颗粒复合化改性的方法有物理方法、机械方法、化学方法等。

物理方法就是通过物理沉积的作用在颗粒表面沉积一层纳米颗粒膜。如采用磁控溅射镀膜或真空蒸镀的方法在微颗粒表面沉积金、银、铜、铝、钴、镍等金属颗粒膜。

机械方法就是在摩擦、研磨、冲击、振动和高速搅拌等机械力作用下,小颗粒与大颗粒会发生固相反应或机械镶嵌等作用,从而使小颗粒包覆在大颗粒表面。如采用日本奈良机械制作所开发生产的高速气流冲击式粉体表面改性设备Hybridization,进行无机颗粒/高聚物、金属/金属、无机颗粒/金属等类型的复合化改性处理,获得了许多功能性的颗粒材料,是目前能够进行工业化处理的一种颗粒复合化改性方法。

化学方法就是通过一定的化学反应在颗粒表面沉积一层颗粒膜的方法。如采用化学镀的方法在颗粒表面包覆一层金属镍、银、铜等金属膜,采用沉淀法或溶胶凝胶法在颗粒表面沉积一层金属氧化物膜,可制备纳米硅酸铝/硅灰石、纳米碳酸钙/硅灰石、纳米TiO2/多孔矿物等复合粉体材料。

5.颗粒表面改性的评价

目前颗粒表面改性效果的评价方法尚未完善和规范。表面改性效果的评价方法一般可以分为直接评价法和间接评价法。所谓直接评价法就是通过表面改性前后粉体的表面物理化学性质和体相性质,如润湿性、吸油值,分散性、黏度、表面结构与成分、粒度大小与分布等与体相相应性质的变化来表征和评价颗粒表面改性的效果;间接评价法就是通过评价表面改性前后粉体在实际应用领域中的应用性能来评价粉体表面改性的效果。例如,用于高聚物基复合材料填料的表面改性效果,可以通过检测填料改性前后填充的高聚物复合材料的力学性能来评价;用于电缆绝缘填料的煅烧高岭土改性效果,可用改性前后填充绝缘材料的体积电阻率以及拉伸强度、断裂伸长率等性能来评价;用于抗菌目的的粉体的改性效果,可用其抗菌性能检测结果来评价;对于颜料的表面改性可以通过其遮盖力、着色率、色差、分散稳定性等检测结果来评价;对于催化剂的表面改性可以通过其催化性能来评价。由于粉体表面改性的目的性和专业性很强,间接评价法非常重要,是评价表面改性粉体应用价值的主要依据。

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