粉体表面改性课题

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启发：物理、化学、机械方法都可应用于水泥粉体，可改变其颗粒表面性质：表面晶体结构——机械粉磨时可造成颗粒晶格畸变，引起晶格变形；表面活性剂可降低颗粒表面的界面处的晶格内聚力，使裂纹更容易扩展（助磨剂）官能团——聚羧酸减水剂可使水泥颗粒表面“生长”出带有羧基和羟基的长链润湿性——聚羧酸减水剂可使颗粒表面因带有亲水性基团而更容易润湿电性——聚羧酸减水剂等高聚物使颗粒表面因带有相同性质的静电荷而相互排斥；助磨剂分子能时水泥颗粒表面因化学键断裂而产生的价键力被饱和，哪能防止颗粒发生团聚表面吸附——减水剂与水泥水化颗粒表面具有亲合力，吸附后形成长链；助磨剂可吸附在水泥颗粒表面及断裂面上，可避免裂纹重新闭合粉体改性的目的在使用无机填料的时候，由于无机粉体填料与有机高聚物的表面或界面性质不同，相容性较差，因而难以在基质中均匀分散。

故而必须对无机粉体填料表面进行改性，以改善其表面的物理化学特性，增强其与有机高聚物或树脂等的相容性和在有机基质中的分散性，以提高材料的机械强度及综合性能。

（启发：减水剂并不是与所有的水泥都匹配，经常出现的情况是：某种减水剂对一种或几种水泥有很好的应用效果，但对另一种或几种的水泥应用效果很差，这说明水泥的化学组成及表面性质对减水剂的应用效果有很大影响，我们可以在不改变水泥化学组成的条件下只改变其表面性质，如在任何水泥干粉中加入一些改性剂使其在加入某种减水剂后效果都很好）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。

注: 高能改性：利用紫外线、红外线、电晕放电、等离子体照射和电子束辐射等方法对粉体进行表面改性的方法。

如用Ar 和高纯C3H6昆合气体对CaCO（1250目）粉末进行低温等离子体改性可改善CaCO：与PP （聚丙烯）的界面粘接性。

因为处理后的CaCO表面存在一非极性有机层，因此降低了碳酸钙颗粒表面的极性，提高了与聚丙烯的相容性和亲和性。

（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（如减水剂）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。

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。

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。

（减水剂）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。

表面改性设备干法设备主要有高速加热式混合机，卧式加热混合机，SL（型连续式粉体表面改性机，PS（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。

粉体表面改性产品的检测与表征直接法：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。

附表面改性具体工艺干法工艺：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。

（助磨剂就是这种方法）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。