摘要: 粉体工业是一个重要的基础原料工业,粉体制造技术在化学工业及材料工业中占有十分重要的地位。在一些高分子材料工业及高聚物复合材料领域中,粉体常常用作无机矿物填料。

粉体工业是一个重要的基础原料工业,粉体制造技术在化学工业及材料工业中占有十分重要的地位。在一些高分子材料工业及高聚物复合材料领域中,粉体常常用作无机矿物填料。

以高岭土、云母、石英、氧化铝、滑石、碳酸钙等无机矿物粉体作为填料,由于这些无机矿物材料与有机高聚物基质的界面性质不同,因此当以无机矿物填料作为填充物时,除了需要相关的粒度和粒度分布要求之外,还必须对其表面进行改性,提高材料的力学性能及综合性能。

1、表面物理改性

所谓表面物理改性是通过分子间作用力将无机或有机表面改性剂吸附到无机粉体粒子表面,在粉体粒子表面形成包覆层,以降低粉体的表面张力,改变粉体粒子的表面极性,减少粉体粒子之间的团聚作用,从而达到均匀稳定分散粉体粒子的目的。

1.1表面活性剂改性

表面活性剂包含疏水基和亲水基,是极少数能显著改变物质表面或界面性质的物质,具有两个基本特点: ( 1) 在物质表面或两相界面容易定向排列,使其表面性质或界面性质发生显著变化;( 2) 在溶液中的溶解度很低, 在通常使用浓度范围内大部分以胶团( 缔合体) 状态存在, 使其表面张力显著下降。

1.2 高能表面改性

利用紫外线、红外线、电晕放电和等离子体照射等方法对无机粉体进行表面处理的方法称为高能表面改性。Sugiyama将 CH4 与 H2 的混合气体通入微波等离子体反应器对 TiO2 粉末进行表面改性,推测在 CH4 和 H2 的共同作用下 TiO2 表面将形成 Ti-C-O 结构, 使其导电性与TiC类似。王怀法等认为电子束辐射可以在颗粒体内部形成大能量释放和电击穿,造成微观缺陷及显微裂隙,从而强化颗粒的磨碎过程,以达到表面改性的目的。

1.3胶囊化改性

胶囊化改性是现代医药领域最先采用的技术,最初是由为了满足药品药效的缓释性需求而出现的固体药粉胶囊化发展而来的。胶囊化改性是在粉体颗粒表面上覆盖均质而且有一定厚度的薄膜。胶囊化改性的实例很多,如采用原位聚合法可以制备聚甲基丙烯酸酯包覆的钛白粉胶囊改性粉体,利用高速气流冲击法可以实现聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 在尼龙 -12 上、SiO2 在聚乙烯上、二氧化钛和含氟石墨在尼龙 -12上的包覆。经过微小颗粒胶囊化改性不仅可以制备出无机 /有机复合胶粒,改变颗粒的性质,还可以实现胶囊的缓释作用,拓宽无机粉体的应用范围。

2、表面化学改性

所谓无机粉体表面化学改性是指通过无机粉体粒子表面和表面改性剂之间的化学吸附作用或化学反应,改变粒子的表面结构和状态, 从而达到表面改性的目的。

2.1 表面沉积法

表面沉积法是利用无机化合物在颗粒表面进行沉淀反应,从而在颗粒表面形成一层或多层“包覆”或“包膜”,以达到改善粉体表面性质的目的。这种方法一般采用湿法工艺,具有如下优点:( 1) 所使用的工艺和设备较简单, 便于工业化生产; ( 2) 可以实现不同组分之间在分子 /原子水平上的均匀混合,精确控制各组分的含量; ( 3)所需

粉体的纯度、相组成、颗粒大小、晶粒大小和分散性均可以通过控制沉淀条件及沉淀物的煅烧程度来实现。

2.2 化学包覆

化学包覆是利用表面化学方法对颗粒表面进行局部包覆,使颗粒表面有机化,从而对无机粉体颗粒表面进行改性的方法。化学包覆所用的表面改性剂种类很多,如偶联剂、表面活性剂等。

其中, 偶联剂改性适用于各种不同的有机高聚物和无机填料的复合材料体系,这是因为偶联剂是具有两性结构的化学物质,其分子中的一部分基团可以与粉体表面的各种官能团反应,形成强有力的化学键,另一部分基团可以与有机高聚物基料发生化学反应或物理缠绕,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建立起特殊的“分子桥”,从而改善无机粉体的分散性。

2.3 机械力化学

由于机械力的作用,颗粒出现无定形化、 晶格畸变、 晶型转变、结晶构造整体结构变形等现象,同时由于体系内能增大,温度升高,可能伴随游离基的形成,表面自由能增大,出现外激电子放射以及等离子区等现象。机械力化学改性有两层含义: ( 1) 利用矿物超细粉碎过程中机械应力的作用激活矿物表面,使表面晶体结构与物理化学性质发生变化,从而实现应用需要; ( 2) 利用机械应力对表面激活作用和由此产生的离子或游离基引发单体烯烃类有机物聚合,或使偶联剂等表面改性剂高效附着从而实现改性。

3、小结与展望

无机粉体表面改性已经成为当今粉体材料学发展的主要方向之一, 也是粉体材料由科研阶段向工业应用过渡的重要环节。由于大多数改性后的粉体物料只是作为一种填料、 颜料或其他性质及功能的原料,并非最终的材料或制品, 因此粉体表面技术也将不断发展和提高以灵活适应相关应用领域的发展和现代科学技术日新月异的变化。目前普遍认为未来无机填料发展的三大方向是粒径微细化、 表面活性化、 结构复杂化。因而“复合” 处理工艺,即将复合、 超细粉碎、 表面改性在同一工艺或系统中完成,将成为未来无机粉体加工技术的主要发展趋势。


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