粉体表面改性的研究进展

粉体表面改性技术的研究进展姓名：黄政杰学号：200839110324专业：无机非金属材料班级：0803班早在20世纪50年代，研究人员就已经注意到，对无机颜料，如钛白粉，用二氧化硅或三氧化铝等进行表面复合或者包膜处理可以改善其保光性和耐候性。

但是作为技术加工研究表面改性是在近一二十年的事情，尤其是现代有机／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意义。

粉体表面改性的研究进展粉体工程表面改性或者表面处理与很多学科，如粉体工程，物理化学，表面与胶体化学，有机化学，无机化学，高分子化学，无机非金属材料，高分子材料，复合材料，结晶学，光学，电学磁学等学科密切相关。

可以说，粉体表面改性是粉体工程或者颗粒制备技术与其他众多学科相关的边缘学科。

粉体工程改性主要包括四个方面。

1粉体改性的原理和方法2 表面改性剂3表面改性工艺与设备4粉体表面改性产品的检测与表征一粉体表面改性的原理利用物理、化学机、械等方法对颗粒表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变颗粒表面的物理化学性质，如表面晶体结构和官能团表面能、界面润湿性、电性、表面吸附和反应特性等，以满足现代新材料，新工艺和新技术发展的需要。

二表面改性方法表面改性的方法很多，能够改变非金属矿物粉体表面或界面的物理化学性质的方法，如表面物理涂覆、化学包覆、微胶囊包覆、机械力化学、等可称为表面改性方法。

目前工业上非金属矿物粉体表面改性常用的方法主要有表面化学包覆改性法、微胶囊包覆改性法和机械化学改性法及原位聚合改性法。

(1)表面化学包覆改性法：是目前最常用的非金属矿物粉体表面改性方法，这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。

所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、表面活性剂(高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、非离子型表面活性剂、有机硅油或硅树脂等)、高分子分散剂改性和接枝改性。

（2）微胶囊包覆改性法微胶囊的制备首先是将液体.固体或者气体囊心物质分细，然后以这些微粒为核心，使聚合物成膜材料在其上沉积.涂成形成一层膜，将囊心微粒包覆。

依据囊壁形成机制合成囊条件，微胶囊化方法大致分为三类，即化学法（界面聚合法，原位聚合法，锐孔法），物理法（喷雾干燥法，空气悬浮法，真空蒸发沉积法，静电结合法，溶剂蒸发法，包结络合物法，挤压法等）和物理化学法（水相分离法、油相分离法融化分散冷凝法等）。

（3）机械化学改性法是利用超细粉碎过程及其他强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或无定形化，增强它与有机物或其他无机物的反应活性。

机械化学作用可以强颗粒表面的活性点和活性基团，增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。

以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术，是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性，如表面复合、包覆、分散的方法。

能够对颗粒进行激活的粉碎设备主要有各种类型的球磨机，气磨机和机械冲击式磨机等。

（4）原位聚合改性法利用粉体在乳液单体中均匀分散，然后用引发剂引发聚合，从而形成带有弹性包覆层的核一壳结构的纳米粒子。

由于外层是有机聚合物，所以可以提高粉体与有机物的亲和力再者它是一种内硬外软的核一壳结构的纳米粒子可以填充到塑料或者橡胶中时可以改变它们的力学性能原位聚合改性法可分为无皂乳液聚合包覆法，预处理乳液聚合法和微乳液聚合法等。

三表面改性剂粉体的表面改性，主要是依靠表面改性剂在粉体颗粒表面的吸附、反应，包覆或包膜来实现的。

因此，表面改性剂对于粉体的表面改性或表面处理具前应用的表面改性剂主要有偶联剂、表面活性剂、有机硅、不饱和有机酸及有机低聚物，超分散剂、水溶性高分子等。

1偶联剂：具有两性结构的化合物，按其结构可分为硅烷类，钛酸酯类，钛铝酸盐及配合物等几种。

其分子中的一部分基团可与无机粉体表面的各种官能团反应，形成有力的化学键：另一部分基团则可与有机高聚物发生某些化学反应或物理缠结，从而将两种性质差异很大的材料牢固结合起来，使无机粉体和有机高聚物分子之间产生具有特殊功能的“分子桥“。

表面活性剂：它是一种能显著降低水溶液的表面张力或者液液界面张力，改变体内系的表面状态从而产生润湿和反润湿，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用的化学药品。

有机硅：它是以硅氧烷为憎水基，聚氧乙烯链，羧基，酮基或其他极性基团为亲水基的一类特殊类型的表面活性剂，俗称硅油或硅树脂。

其主要品种有聚二甲硅氧烷，有机基改性聚硅氧烷及有机化合物的共聚物等。

水溶性高分子：它是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶解性成溶液或分散剂。

四表面改性工艺表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方法而异。

目前工业上应用的表面改性工艺丰要有干法工艺、湿法工艺、复合工艺三大类。

干法工艺根据作业方式的不同又可分为间歇式和连续式；湿法工艺又可分有机改性工艺和无机改性工艺；复合工艺又可分为机械化学与表面化学包覆改性复合工艺，干燥与表面化学包覆改性复合工艺，沉淀反应与表面化学包覆改性复合工艺等。

干法工艺：是一种应用最为广泛的非金属矿物粉体表面改性工艺。

目前对于非金属矿物填料和颜料，如重质碳酸钙和轻质碳酸钙、高岭土与煅烧高岭土、滑石、硅灰石、硅微粉、玻璃微珠、氢氧化铝和轻氧化镁、陶土、陶瓷颜料等，大多采用干法表面改性工艺。

其中，间歇式干法工艺的特点是可以在较大范围内灵活调节表面改性的时间，但颗粒表面改性剂难以包覆均匀，单位产品药剂耗量较多，生产效率较低，劳动强度大，有粉尘污染，难以适应大规模工业化生产，一般应用于小规模生产。

连续式改性工艺的特点是粉体与表面改性剂的分散较好，颗粒表面包覆较均匀，单位产品改性剂耗量较少，劳动强度小，生产效率高，适用于大规模工业化生产。

连续式干法表面改性工艺常常置于干法粉体制备工艺之后，大批量连续生产各种非金__属矿物活性粉体，特别是用于塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的无机填料和颜料。

湿法工艺：与干法工艺相比具有表面改性剂分散好、表面包覆均匀等特点，但需要后续脱水(过滤和干燥)作业。

一般用于可水溶或可水解的有机表面改性剂以及前段为湿法制粉(包括湿法机械超细粉碎和化学制粉)工艺而后段又需要干燥的场合，如轻质碳酸钙(特别是纳米碳酸钙)、湿法细磨重质碳酸钙、超细氢氧化铝与氢氧化镁、超细二氧化硅等的表面改性，这是因为化学反应后生成的浆料即使不进行湿法表面改性也要进行过滤和干燥，在过滤和干燥之前进行表面改性，还可使物料干燥后不形成硬团聚，改善其分散性。

无机沉淀包覆改性也是一种湿法改性工艺。

它包括制浆、水解、沉淀反应和后续洗涤，脱水、煅烧或焙烧等工序或过程。

复合工艺：1机械力化学与表面化学包覆复合改性工艺：是在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加表面改性剂，在粉体粒度减小的同时对颗粒进行表面化学包覆改性的工艺。

这种复合表面改性工艺的特点是可以简化工艺，某些表面改性剂还具有一定程度的助磨作用，可在一定程度上提高粉碎效率。

不足之处是温度不好控制；此外，由于改性过程中颗粒不断被粉碎，产生新的表面，颗粒包覆难以均匀，要设计好表面改性剂的添加方式才能确保均匀包覆和较高的包覆率；此外，如果粉碎设备的散热不好，强烈机械力作用过程中局部的过高温升可能使部分表面改性剂分解或分子结构被破坏。

2干燥与表面化学包覆改性复合工艺：这是一种在湿粉体干燥过程中添加表面改性剂，在湿粉体脱水的同时对粉体颗粒进行表面化学包覆改性的复合工艺。

3沉淀反应表面化学包覆复合改性工艺：是在沉淀反应改性之后再进行表面化学包覆改性，实质上是一种无机／有机复合改性工艺。

这种复合改性工艺已广泛用于复合钛白粉表面改性，即在沉淀包覆SiO：或A1203薄膜的基础上，再用钛酸酯、硅烷及其他有机表面改性剂对Ti02／Si02或A1203复合颗粒进行表面有机包覆改性。

五表面改性设备粉体表面改性的方法很多，可采用的设备也是各种各样。

目前在这些设备中专用设备较少，大多数是从化工，塑料，粉碎，分散等行业中引用过来的。

根据所应用的表面改性工艺的不同，表面改性设备可分为干法设备和湿法设备两大类。

其中干法设备主要有高速加热式混合机，卧式加热混合机，SLG型连续式粉体表面改性机，PSC型连续式粉体表面改性机，高速冲击式粉体表面改性机机械融合式粉体表面改性机，流态化床式粉体表面改性机，漩涡磨等，湿法设备主要是可控温反应釜，反应罐或搅拌反应筒。

六粉体表面改性产品的检测与表征目前的表征方法大体上可分为直接法和间接法。

直接法：通过测定表面改性或者处理后粉体的表面物理化学性质如表面润湿能，表面能，表面电性光学性能包覆量表面结构，形貌和表面化学组成等来表征表面改性的效果。

间接法：通过测定表面改性后粉体在确定的应用领域中的应用性能如填充高聚物基复合材料的力学性能，电性能，涂料和涂层材料的光，电，热，化学性能等来表征表面改性的效果。

表面改性技术的发展(1)表面改性工艺与设备。

发展适用性广、分散性能好、粉体与表面改性剂的作用机会均等、表面改性剂包覆均匀、改性温度和停留时间可调、单位产品能耗和磨耗应较低，无粉尘污染的先进工艺与装备集成，并在此基础上采用先进计算机技术和人工智能技术对丰要工艺参数和改性剂用量进行在线自动调控，以实现表面改性剂在颗粒表面的单分子层吸附、减少改性剂用量、稳定产品质量和方便操作。

(2)表面改性剂。

在现有表面改性剂的基础上、采用先进技术降低生产成本，尤其是各种偶联剂的成本；同时采用先进化学、高分子、生化和化工科学技术和计算机技术，研发应用性能好、成本低、在某些应用领域有专门性能或特殊功能并能与粉体表面和基质材料形成牢固作用的新型表面改性剂。

(3)粉体表面改性“软技术”。

在多学科综合的基础上，根据目的材料的性能要求选择粉体材料和“设计”粉体表面；运用现代科学技术，特别是先进计算方法、计算技术以及智能技术辅助设计粉体表面改性工艺和改性剂配方，以减少实验室工艺和配方试验的工作量，提高表面改性工艺和改性剂配方的科学合理性，达到最佳的应用性能和应用效果。

参考文献：1 蒋阳，陶珍东。

粉体工程。

武汉理工出版社2 郑水林。

粉体表面改性。

中国建材工业出版社。