粉体表面改性复习要点(精简版)
【精品文章】一文了解粉体表面改性技术
一文了解粉体表面改性技术
超细粉体具有常规材料难以比拟的优异性能，在先进陶瓷、微电子、航天航空、生物制药、光学检测等领域获得了广泛的应用，但由于稳定性低、易发生团聚和难于分散，需要对超细粉体进行适当的表面处理以改善颗粒的表面特性和提高其分散性能，达到应用要求。
一、粉体表面改性方法
粉体表面改性方法是指改变非金属矿物粉体表面或界面的物理化学性质的方法，主要有表面物理涂覆、化学包覆、无机沉淀包覆或薄膜、机械力化学、化学插层等。
目前工业上粉体表面改性常用的方法主要有表面化学包覆改性法、沉淀反应改性法、机械化学改性法和复合法。
1、表面化学包覆改性法
表面化学包覆改性法是目前最常用的粉体表面改性方法，是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。
改性工艺可分为干法和湿法两种。
SiO2粉体颗粒表面改性示意图
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)、有机低聚物及不饱和有机酸等）。
2、沉淀反应法
沉淀反应法是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方。
《粉体表面改性》--3表面改性剂
表面活性剂
• （2）高级胺盐 • 阳 离 子 表 面 活 性 剂 , 其 分 子 通 式 为 RNH2( 伯 胺 ) 、 R2NH(仲胺)R3H(叔胺)等.其中,至少有1～2个为长链 烃基(C12 ～C22)。与高级脂肪酸一样,高级胺盐的烷 烃基与聚合物的分子结构相近,因此与高聚物基料 有一定相容性,分子另一端的氨基与无机粉体表面 发生吸附作用。 • 在对膨润土或蒙脱石型粘土进行有机覆盖（或插 层）处理以制备有机土时,一般采用季铵盐，即甲 基苯基或二甲基二烃基胺盐
偶联剂
• 硅烷偶联剂的应用： • 适用于中性和酸性无机粉体的表面处理 • Ⅰ品种选择 • 在用硅烷偶联剂改性矿物粉体时，品种选择 至关重要。 • 选择考虑因素： • ①应用体系的性质或树脂种类； • ②填充材料（或复合体系）的技术指标要求
偶联剂
• Ⅱ用法： • 一般水解后使用。水解pH范围为酸性或中性 (pH3.5~6.0)。 • Ⅲ用量： • 一般为粉体质量的0.2～2.0%；如已知粉体的比表面 积和偶联剂最小包覆面积可按下式估算：
偶剂
• （3）铝酸酯偶联剂 • 化学通式： • Dn • ↓ • (RO)x—Al----(OCOR’)m
• 式中， Dn代表配位基团，如N、O等
偶联剂
• 用途： • 各种无机填料、颜料及阻燃剂,如重质碳酸 钙、碳酸镁、磷酸钙、硫酸钡、硫酸钙、滑 石粉、钛白粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、 铁红、铬黄、碳黑、白炭黑、立德粉、云母 粉、高岭土、炼铝红泥、叶腊石粉、硅灰石 粉、粉煤灰、玻璃粉、玻纤、氢氧化镁、氢 氧化铝、三氧化二锑、聚磷酸铵、偏硼酸锌 等的表面改性
偶联剂
• 配位型 • （i—C3H7O)4Ti•[P—(OC8H17)2OH]2
• 配位型偶联剂是以2个以上的亚磷酸酯为配体,将磷 原子上的孤对电子移到钛酸酯中的钛原子上,形成2 个配价健, 钛原子由4价键转变为6价键,降低了钛酸 酯的反应活性,提高了耐水性。配位型钛酸酯偶联剂 多数不不溶解于水,可以直接高速研磨使之乳化分散 在水中,也可以加表面活性剂或亲水性助溶剂使它分 散在水中,对填、颜料进行表面处理
粉体工程复习资料
太原理工大学矿院矿物加工粉体工程复习资料你懂的。
1.纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，它具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。
①表面效应：随着粉体粒径的减小，其特性不仅取决于固体本身，而且还与表面原子状态有关，称其为表面效应。
②小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
③量子尺寸效应：指当粒子的尺寸下降到某一值时金属费米能级附近的电子由准连续变为离散的现象。
④宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。
近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。
2、颗粒的结构原级颗粒聚集体颗粒（硬团聚颗粒）凝聚体颗粒（软团聚颗粒）絮凝体颗粒①原级颗粒：最先形成粉体物料的颗粒。
又称一次颗粒或基本颗粒。
它是构成粉体的最小单元。
它能真正反映出粉体的固有性能。
②聚集体颗粒（硬团聚颗粒）:由许多原级颗粒靠着某种化学力其表面相互连接而堆积起来。
例如：粉体在高温脱水。
聚集体颗粒的比表面积比构成它的原级颗粒的表面面积和要小。
聚合体颗粒各原级颗粒间彼此结合牢固，必须用粉碎的方法才能使其分开。
③凝聚体颗粒（软团聚颗粒）：棱角相连，结合力弱（范德华力，静电力）。
表面积变化不大。
如湿法合成干燥后的粉体。
凝聚体颗粒比较疏松，通过研磨或者高速搅拌可使之解体。
④絮凝体颗粒：粉体在液相介质中分散，由于颗粒间的各种物理力，使颗粒松散的聚合在一起所形成的粒子群，称絮凝体颗粒。
如受潮后的粉体结块，淀粉在水中变粘。
絮凝体颗粒很容易被微弱的剪切力解絮，也很容易在表面活性剂的作用下分散开来。
3、常用的“演算直径”有轴径、球当量径、圆当量径和统计径四类。
第五章 表面改性
目的是改善或提高粉体原料的应用 性能以满足新材料、性工艺、新技 术的开发之需要。
实例
在塑料、橡胶等高分子材料工业及
复合材料领域中，无机矿物填料占 有很重要的地位。但由于这些无机 矿物填料与基质，即有机高聚物的 界面性质不同，相容性差，因而难 以在基质中均匀分散，直接或过多 地填充往往容易导致材料的某些力 学性能下降以及易脆化等缺点。
选用
在选用表面改性剂时，除了要考虑粉体物 料的种类、粒度、湿度以及应用领域外， 还应考虑改性剂的成本、用量及使用方法 等。
7 丙烯酸树脂
丙烯酸树脂是甲基丙烯酸共聚物和甲甚丙 烯酸酯共聚物的统称。 具有无生理毒性，物理化学性质稳定，能 形成坚韧连续的薄膜．且包膜后的剂型对 光、热、湿度稳定；易于服用，无味、无 臭、无色、与主药无相互作用；渗透性和 溶解性好，且包膜过程不易粘连等持性。 因此常用作药品的包膜材料。
3 不饱和有机酸
带有双键的不饱和有机酸对含有碱金属离 子的无机矿物填料进行表面处理，效果较 好。 是一种新型的表面处理剂。
4 超分散剂
超分散剂是一类新型的聚合物分散助剂，主要用 于提高颜料、填料在非水介质，如油墨、涂料、 陶瓷原料及塑料等中的分散度。超分散剂的分子 量一船在1000到10000之间，其分子结构一般含 有性能不同的两个部分、其中一部分为锚因固基 团，可通过离子对、氢键、范德华力等作用以单 点或多点的形式紧密地结合在颗粒表面上；另— ‘部分为具有一定长度的聚合物链。当吸附或覆盖 了超分散剂的颗粒相互靠近时，由于镕剂化链的 空间障碍而使颗粒相互弹开．从而实现颗粒在非 水介质中的稳定分散。
3 沉淀反应改性
利用无机化合物在颗粒表面进行沉淀反应， 在颗粒表面形成一层或多层“包覆”或 “包膜”． 珠光云母就是通过金属氧化物(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。沉淀反应改性是无机颜 料表面改性处理最常用的方法之一。
研究生 颗粒学 7超细粉体表面改性
2) 表面改性的目的
使无机矿物填料由一般增量填料变为功能性填料 为高分子材料及复合材料提供新的技术方法
提高涂料或油漆中颜料分散性，改善涂料性能
使制品有良好的光学效应或视觉效果，附加值高 表面改性是为改善矿物材料的使用性能，提高使用 价值并拓展新的应用领域，以满足新材料、新技术 发展、新产品开发的需要
偶联剂的有机基与有机基体的结合随基体材料种类 的不同而不同,下式是经环氧硅烷改性的玻纤维填料 与氨基树脂的反应:
2)有机酸及其盐类改性剂
高级脂肪酸及其盐 结构通式：RCOOH 为阴离子表面活性剂，其结构和聚合物分子结 构相似，与聚合物基料有一定的相容性。分子一 端为羧基，可与无机填料或颜料表面发生物理、 化学吸附作用，另一端为长链烷基（C16-C18）
改性过程
在分散的粉体水浆液中加入所需的改性（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层。经过洗涤、 脱水、干燥、焙烧等工序使包覆层牢固固定在 颗粒表面，达到改进粉体表面性能的目的。
7.3 表面改性剂及作用
1)偶联剂及其作用机理
偶联剂的作用(functions of coupling agent)：
①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度 ②改善了界面对应力的传递效果 ③提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力 ④提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生 偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性
硅烷偶联剂与无机填料表面的作用
硅烷偶联剂在无机填料表面的作用
偶联剂的功能：（a）有机硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羟基与 玻璃表面之间的氢键合；（c）结在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）与 聚合物 反应的官能R基团
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一文认识机械化学法粉体表面改性技术
表面改性是指利用各类材料或助剂，采用物理、化学等方法对粉体表面进行处理，根据应用的需要有目的地改善粉体表面的物理化学性质或物理技术性能，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。
粉体表面改性的方法很多，分类方法依分析问题的角度不同而异，下面小编就机械化学法粉体表面改性技术进行介绍。
一、粉体表面改性方法概述
目前，粉体改性方法按照改性工艺性质分类，主要分为6类，表面覆盖改性、表面化学改性、机械化学法改性、胶囊式改性、高能处理改性、沉淀反应改性。
（1）表面覆盖改性
表面覆盖改性是利用表面活性剂使高分子、无机物、有机物等覆盖于粉体表面，达到表面改性。
表面覆盖法改性纳米碳酸钙结构图
（2）表面化学改性
表面化学改性是利用表面改性剂与粉体表面进行化学反应或化学吸附的方式完成，使其表面产生新的机能。
表面化学改性示意图
（3）机械化学法改性
机械化学法改性是通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性，具有强活性的粉体表面与其它物质发生反应、附着，达到表面改性的目的。
SiC粉体的表面改性
SiC粉体的表面改性一、背景1.简介：碳化硅分子式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。
碳化硅晶体结构分为六方晶系的a-SiC和立方晶系的B-SIC,B-SiC于2100°C以上时转变为a-SiC°a-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体。
碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。
2.问题：经机械粉碎后的SiC粉体形状不规则，且由于粒径小，表面能高，很容易发生团聚，形成二次粒子，无法表现出表面积效应和体积效应，难以实现超细尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧结过程中与基体的相容性，进而影响陶瓷材料性能的提高。
加入表面改性剂，改善SiC粉体的分散性、流动性，消除团聚，是提高超细粉体成型性能以及制品最终性能的有效方法之一。
二、过程1.改性方法分类：碳化硅粉体的制备技术就其原始原料状态主要可以分为三大类：固相法、液相法和气相法。
（1）固相法固相法主要有碳热还原法和硅碳直接反应法。
碳热还原法又包括阿奇逊（Acheson）法、竖式炉法和高温转炉法。
SiC粉体制备最初是采用Acheson法，用焦炭在高温下（2400C左右）还原Si02制备的。
20世纪70年代发展起来的ESK法对古典Acheson法进行了改进，80年代出现了竖式炉、高温转炉等合成B-SiC粉的新设备。
LN.Satapathy等以Si+2C为起始反应物,采用2.45GHz的微波在1200-1300°C时保温5分钟即可实现完全反应，再通过650°C除碳即可获得纯的B-SiC,其平均粒径约0.4口m。
硅碳直接反应法又包括自蔓延高温合成法（SHS）和机械合金化法。
SHS还原合成法利用SiO2与Mg之间的放热反应来弥补热量的不足，该方法得到的SiC粉末纯度高，粒度小，但需要酸洗等后续工序除去产物中的Mg。
粉体表面改性
4.1 概述
1)定义 表面改性是指利用各类材料或助剂，采用物理、 化学、机械等方法对矿物粉体表面进行处理，根据 应用的需要有目的地改善粉体表面的物理、化学性 质或物理技术性能，以满足现代新材料、新工艺和 新技术发展的需要。
粉体的表面改性处理直接影响着粉体的使用价值和应 用领域。
常用改性剂 偶联剂 ——最常用的矿物表面改性剂 高级脂肪酸及其盐 ——适用于表面含金属活性粒子的矿物 不饱和有机酸和有机硅，等
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。
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。
常见的方法：包覆改性和高能改性。
包覆改性 包覆也称涂敷，是一种对粉体表面简单处理的方法， 借助于黏附力，利用有机高聚物或树脂等对粉体表面 进行“包覆”，以达到改善粉体表面性能的方法。
影响因素： 颗粒的形状 比表面积 孔隙率 涂覆剂的种类 涂敷处理工艺，等
例：树脂包覆石英砂--冷法和热法
表面改性是为改善矿物材料的使用性能，提高使用
价值并拓展新的应用领域，以满足新材料、新技术
发展、新产品开发的需要。
• 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；
• 通过表面改性处理，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。
在包覆处理前对石英砂进行冲洗或擦洗和干燥。
冷法包覆砂是在室温下制备的，先将粉状树脂与砂混匀，然后加 入溶剂（工业酒精、丙酮或糠醛），溶剂加入量根据混砂机能否 封闭而定。封闭者，酒精用量为树脂用量的40-50%；不能封闭 者为70-80%，再继续混碾到挥发完，干燥后经粉碎和筛分即得 产品。但该法使用有机溶剂量大，仅用于少量生产。
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第2章 纳米粉体的分散
1.粉体分散的三个阶段（名词解释）
润湿
是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。
•解团聚
是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。
•稳定化
是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散
2.常用的分散剂种类
（1）表面活性剂
空间位阻效应
（2）小分子量无机电解质或无机聚合物
吸附－－提高颗粒表面电势
（3）聚合物类(应用最多)
空间位阻效应、静电效应
（4）偶联剂类
3.聚电解质（名词解释）
是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子
4.对不同pH 值下PAA 在ZrO 2表面的吸附构型进行分析。
图.不同pH 值下PAA 在ZrO 2
表
面的吸附构型
a.当pH<4时，PAA 几乎不解离，以线团方式存在于固液界面上，吸附层很薄，几乎无位阻作用
δ
δδ
b.随pH值增加，链节间静电斥力使其伸展开
c.ZrO2表面电荷减小直至由正变负，PAA的负电荷量增加，其间斥力增加，
使得PAA链更加伸展，可在较远范围提供静电位阻作用
5.用聚电解质分散剂分散纳米粉体时，影响浆料稳定性的各种因素有哪些？
1、聚电解质的分子量
当聚电解质分子量过小，在粉体表面的吸附较弱，吸附层也较薄，影响位阻作用的发挥。
分子量过大，易发生桥连或空位絮凝，使团聚加重，粘度增加。
2、分散剂用量
适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定。
用量过低，粉体表面产生不同带电区域，相邻颗粒因静电引力发生吸引，导致絮凝。
用量过高，离子强度过高，压缩双电层，减小静电斥力；同时，还易发生桥连或空缺絮凝，稳定性下降。
3、温度
研究表明，为了获得较好的分散效果（以最低粘度为衡量标准），随温度的升高，所需分散剂的用量随之增加
6.结合下图，分析煅烧为什么能够改善纳米Si3N4粉体的分散性？
煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性
•此前提到，球磨可有效降低粉体的粒度。
但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应。
•以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时，表面的Si-OH可能与乙醇反应生成酯。
•酯基的生成对粉体的分散性影响很大：
a、酯基是疏水基团
b、屏蔽负电荷，影响分散剂的吸附
•采取煅烧去除酯基，可改善其分散性
第3章纳米粉体表面改性（功能化）
1.表面改性有哪些重要应用？
改善纳米粉体的润湿和附着特性。
改善纳米粉体在基体中的分散行为，提高其催化性能。
改善粉体与基体的界面结合能等。
2.纳米粉体的表面改性方法？
气相沉积法
机械球磨法
高能量法
化学反应法
3.异质絮凝（名词解释）
是指带正电荷和负电荷颗粒，因静电吸引形成中性聚集体，并迅速聚沉的现象。
4.通过下图，分析如何利用异质絮凝法对四方相氧化锆（TZP）的表面包覆Al2O3？包覆了Al2O3的TZP可较好分散到羟基磷灰石HAp中而形成一种复合材料，因为包覆层可抑制HAp和TZP间形成磷酸三钙，且显著提高材料的力学性能。
5.聚合物包裹纳米粉体可在其表面引入有机分子，以改善纳米粉体的哪些主要性质？
抗腐蚀的屏蔽作用
改善在有机介质中的润湿性和稳定性
复合材料中的界面调控作用
锚定活性分子或生物分子使其具有生物功能性
6.聚合物包覆纳米颗粒的方法主要有哪几种？
a、吸附或反应使有机分子包裹在粉体表面；
b、通过有机单体在纳米粉体表面的聚合形成包覆层。
第4章纳米复合材料
1.纳米复合材料的概念（名词解释）
纳米材料与其它材料复合而成的材料。
2.制备聚合物纳米复合材料的粉体填料有哪些种类？
金属或合金纳米粒子
碳化物或氮化物纳米粒子
氧化物和复合金属氧化物纳米粒子
无机盐纳米粒子
有机纳米粒子
3.高分子纳米复合材料的制备方法有哪些？
纳米粒子填充法
纳米粒子原位生成法
溶胶－凝胶法
插层复合法
4.在高分子材料(复合材料）工业生产中，应用粉体需要解决哪些技术难题？并
举例说明如何解决该粉体使用问题。
5.插层方法种类（名词解释）
酸盐(如蒙脱土)之间，进而破坏片层硅酸盐紧密有序的堆积结构，使其剥离成厚度为1nm 左右，长、宽为30-100nm的层状基本单元，并均匀分散于聚合物基体中，最终实现聚合物高分子与层状硅酸盐片层在纳米尺度上复合的生产加工工艺。
种类：插层聚合法是先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出大量的热克服硅酸盐片层间的作用力，并使其剥离，从而使硅酸盐片层与塑料基体以纳米尺度复合。
聚合物插层法是将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用化学和热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀地分散于聚合物基体中。
该法的优点是易于实现无机纳米材料以纳米尺寸均匀地分散到塑料基体树脂中。
6.结合纳米黏土网络结构对ABS 纳米复合材料阻燃性能的机理示意图，讨论插层纳米复合材料的结构、特点和机理分析？
结构
插层型剥离型
特点：. 粘土的含量一般小于5％，复合材料的力学性能已有很大的提高，而传统
的增强填料如白碳黑、碳黑、轻质碳酸钙等填充量高达20～60％。
. 纳米粘土片层具有高度一致的结构和各向异性，提高了复合材料对溶剂. 分子和气体分子的阻隔性、抗静电性和阻燃性。
. 复合材料能够保持低应力条件下较好的尺寸稳定性。
. 具有较高的热变形温度。
. 热塑性插层纳米复合材料具有再生性质，再生的复合材料能够获得进一步增强的力学性质。
.复合材料因分散有纳米级片层材料，而具有光滑的表面结构
机理：
试题类型（出题范围参见复习要点）
1.名词解释
2.简答题
3.分析题
4.开放性论述题
5.。