粉体表面改性资料

2、表面能
粉体的表面能与粉体的结构、原子之间的键型和结合力、 表面的原子数、表面官能团等有关。
物料粉碎后产生了新的表面，部分机械能转变为新生表面 的表面能。
粉体的表面能与以下两点关系很大： （1）表面改性剂和粉体表面的作用 ； （2）粉体的应用性能。 通常：表面能越高，吸附性越强，越容易团聚，越不易在 高聚物中均匀分散。对无机填料进行有机表面改性实际上就是 降低其表面能，使其不产生团聚。
(1)有机/无机复合材料(塑料、橡胶等）：改善无机填料（包括
增量无机填料和功能性无机填料）与有机（高聚物）基料的相容性，提高其分 散性及复合材料的综合性能
(2)油漆、涂料：提高涂料、油漆中颜料的分散性并改善涂料的光泽、
着色力、遮盖力和耐候性、耐热性、保光性、保色性等
(3)无机/无机复合材料：提高无机组分，特别是小比例无机组分在大
胶、油性涂料选亲油型；电缆绝缘考虑介电性能及电阻率；水性涂料选亲水 性）；避免改性剂造成体系中其他组分功能的失效；改性剂分解温度高于加工 温度；考虑改性剂水溶性决定改性工艺；价格和环境因素也要考虑。
②用量：理论上在颗粒表面达到单分子层吸附所需的用量为最佳用量，
实际上最佳用量要通过实验来确定。对于湿法改性实际用量要大于达到单分子 层吸附所需的量。
胺＞羧酸＞醇＞苯酚；中性表面时（Al2O3、Fe2O3)等，羧酸＞胺＞苯酚 ＞醇；碱性表面时（MgO、CaO)，羧酸＞苯酚＞胺＞醇。
⑥含水量：象陶土、滑石粉等表面含水量较大的矿物，不适合用单烷氧基型
而适合螯合型钛酸酯偶联剂。
(2)表面改性剂的配方
①品种：选择能够化学吸附的改性剂；根据用途来选择（如塑料、橡
比例无机组分中的分散性，如陶瓷颜料和多相陶瓷材料
(4)吸附与催化材料：提高选择性、活性和机械强度 (5)健康与环境保护 (6)超细和纳米粉体制备中的抗团聚 (7) 其它（插层改性）
四、粉体表面改性的主要研究内容 (1)粉体表面改性的原理和方法
❖ 表面或界面性质与其应用性能的关系； ❖ 表面或界面与表面改性剂或处理剂的作用机理和作用模型； ❖ 各种表面改性方法的基本原理或理论基础，包括表面改性处理
未来无机填料发展的三大方向： （1）粒径微细化（2）表面活性化（3）结构复杂化
二、表面改性的目的
（1）改善粉体颗粒的分散性、稳定性和相容性。 （2）提高粉体颗粒的化学稳定性，如耐药性、耐光性、
耐候性等。 （3）改变粉体的物理性质，如光学效应、机械强度等。 （4）出于环保和安全生产目的。
三 、粉体表面改性技术的应用
举例：纳米TiO2/硅藻土 制备工艺
提纯
硅藻土
制浆 配制
水解
沉淀反应
洗涤过滤
干燥
煅烧
样品
钛的无机化合物
实验室改性装置
SEM表面形貌
TEM剖面分析
A
B
0.9μm
250 nm
40 nm
0.6μm
0.9μm
四、机械力化学改性
利用超细粉碎及其它强烈机械作用对粉体表面进行激活，在 一定程度上改变颗粒表面的晶体结构、化学吸附和反应活性（增 加表面活性点或活性基团）等。
四、干燥与表面改性合二为一工艺
通过在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改性。
优点:可以简化工艺 问题：干燥温度一般在200°C以上，干燥过程中加入的较 低沸点改性剂可能被分解或蒸发；若在干燥后出料前加入改性 剂，则作用时间较短。
表面改性方法和工艺的选择
选择依据： ❖ 粉体表面改性的目的和要求； ❖ 粉体的特性； ❖ 粉体制备工艺； ❖ 表面改性剂的品种（性质）和用法。
③使用方法：配制（先水解）、添加（均匀充分接触）及加药顺序
（先加化学吸附的）。
（3）表面改性工艺
配方确定后，改性工艺是包覆改性效果的重要影响因素之一。
①考虑改性剂的水溶性、水解性、沸点或分解温度；
②考虑前段粉体制备作业是干法还是湿法；
③工艺条件：反应温度（溶剂溶解的改性剂）和反应时间（控
制包覆量）。
（4）表面改性设备
①对粉体及表面改性剂的分散性；
②粉体与表面改性剂的接触或作用机会；
③方便调节温度和停留时间； ④单位产品能耗和磨耗；
⑤粉尘污染问题；
⑥设备的运转状况。
4.4.3 表面改性工艺
一、干法工艺
干法改性工艺是粉体在干态下或干燥后在改性设备中进行 强烈机械分散，同时添加配置好的表面改性剂在一定温度下进 行表面改性的工艺。
沉淀反应与表面包覆处理是在沉淀包膜改性之后再进行表面 化学包覆。
表面改性影响因素
(1)粉体的表面性质 ①粒度：越细，表面积越大，则改性剂用量大； ②比表面能：较大的会团聚，需事先解聚； ③表面官能团：决定物理吸附还是化学吸附，如：硅烷偶联剂适用石英及硅
灰石等而不适用碳酸钙；
④酸碱性：无机填料改性时，酸性表面（如SiO2)时，
(4)，在颗粒表面形成一层或多层“包膜”，以达到 改善粉体表面性质，如光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐候性 、电、磁、热性和体相性质等目的。
一般采用湿法工艺。 影响因素主要有浆液的pH、浓度、反应温度和时间，颗粒 粒度、形状及后续处理工序(洗涤、脱水、干燥或焙烧)等。其中 pH及温度、浓度因直接影响无机改性剂在溶液中的水解产物,是 最重要的影响因素之一。
酸碱处理、化学气相沉积（CVD）和物理沉积（PVD）等。
六、复合改性
采用两种以上方法对粉体进行表面处理的工艺方法，如机械 化学与化学包覆的复合、沉淀反应与化学包覆的复合，高能辐射 与表面包覆的复合等等。
机械化学与表面包覆处理是在粉碎过程中添加表面改性剂， 使颗粒在粒度减小过程中达到表面有机化学包覆改性。
过程的热力学和动力学，模拟和化学计算等。
(2)表面改性剂及其配方
❖ 种类、结构、分子量、活性基团与其应用性能或功能的关系； ❖ 与粉体表面及复合材料的作用机理和作用模型； ❖ 用量和使用方法； ❖ 新型和专用表面改性剂的制备或合成。
(3)表面改性工艺与设备
❖ 不同种类和不同用途粉体表面改性的工艺流程和工艺条件； ❖ 不同种类和不同用途粉体的表面改性配方； ❖ 影响表面改性效果的因素； ❖ 高性能和专用改性设备的研制开发。
二、化学包覆
利用吸附或化学反应使颗粒表面改性的方法。除利用表面官 能团改性外,还包括利用游离基反应、溶胶吸附等.
表面改性剂：硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸盐等偶联剂、 高级脂肪酸及其盐、有机铵盐、磷酸酯、不饱和有机酸、水溶 性高分子及其他表面活性剂等
影响因素：(1)粉体的表面性质； (2)表面改性剂的配方； (3)表面改性工艺；
干法改性工艺简单、适用于各种有机表面改性剂，特别是 非水溶性的各种表面改性剂的物理或化学包覆改性。
表面改性剂的分散和表面包覆的均匀性取决于表面改性设备。
二、湿法工艺
湿法改性工艺是在一定固液比的浆料中添加配置好的表面 改性剂，在机械搅拌分散和一定温度条件下进行表面改性的工艺 。
适用于各种可水溶/水解的有机表面改性剂、无机表面改性 剂（沉淀反应包膜）。
4.4.2 粉体表面改性方法
一、物理涂覆
利用高聚物或树脂等表面改性剂对粉体表面进行物理处理而达 到表面改性的工艺方法，是一种对粉体表面进行简单改性的工艺。 如：树脂涂敷石英沙：提高精细铸造沙的粘结性、抗开裂性。
（1）冷法：粉状树脂＋沙＋溶剂→混碾→干燥→筛分 （2）热法：石英沙加热（140～160℃）＋树脂→混沙机＋乌 洛托品（壳模形成时使树脂固化） →激冷＋硬脂酸钙（防结块） →出沙→破碎→筛分→产品 主要影响因素:颗粒的粒度、形状、比表面积、孔隙率、涂敷剂 的种类、用量、用法、涂敷处理工艺等。 －－实验表明：无孔隙的高密度球形颗粒的涂敷效果最好。
间有无电子转移。
物理吸附的特征：吸附剂与吸附质之间无电子转移，吸附热 小，吸附无选择性，其结合力主要是范德华力和静电引力，而且 是可逆的多层吸附。
化学吸附的特征：吸附剂与吸附质之间有电子转移，形成化 学键，吸附热大，吸附有选择性，而且是非可逆的单层吸附。
被物理吸附的吸附质，可以沿着固体表面位移；而化学吸附 的吸附质由于形成化学键，所以是定位的。
1. 比表面积 单位质量的表面积，单位为m2/g或cm2/g。是确定表面改性剂 用量的主要依据之一。比表面积越大，达到同样包覆率所需的表 面改性剂的用量就越多。 设Sw代表粉体物料的比表面积，d代表颗粒粉体物料的平均 直径，则有以下关系存在： Sw=K/ρd
ρ ----密度；k---颗粒的形状系数，对于球形粉体k=6。 只要知道粉体的平均粒径，就可以计算其比表面积。粉体粒 度测定仪都有这个功能。
3、表面润湿性 接触角，杨氏方程。
4、表面吸附特性
当气相或液相中的分子（或原子）碰撞在粉体表面时，由于 它们之间的相互作用，使一些分子（原子、离子）停留在粉体表 面，造成这些分子（或原子、离子）在粉体表面上的浓度比在气 相或液相中的浓度大，这种现象称为吸附。
通常称粉体为吸附剂，被吸附的物质为吸附质。 粉体的比表面积越大，吸附现象就越明显。 粉体对液体或气体的吸附按其作用力的性质不同可分为物理 吸附和化学吸附两种类型。两者本质的区别是吸附剂与吸附质之
高位式
普通式
高速加热混合机工作效果影响因素有： （1）叶轮的形状对混合效果起关键作用； （2）叶轮最大回转半径和混合室半径之差（即叶轮外缘与 混合室壁间隙）； （3）物料填充率也是影响表面改性效果的一个因素 ，一 般认为填充率为0.5～0.7，对于高位式叶轮，填充率可达到0.9。 高速加热混合机是一种间歇式的批量粉体表面改性设备， 它的处理时间可长可短，很适合中、小批量粉体的表面化学包 覆改性和实验室进行改性剂配方试验研究。
4.4.4 表面改性设备
高性能表面改性设备基本工艺特性：
① 对粉体及表面改性剂的分散性好；