无机分体表面改性方法综述

无机粉体表面改性方法综述

唐亚峰

（南华大学化学化工学院无机非金属材料系湖南衡阳）

摘要：表面改性是无机粉体的主要加工技术之一，表面改性对提高无机粉体的应用性能起着关键的作用。改性后的无机粉体分散性提高，同时也改善了粉体和有机高聚物的相容性。本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型改性方法，并对无机粉体表面改性方法进行展望。

关键词：无机粉体；表面改性；改性方法；新型方法；

前言

无机粉体具有很高的应用性能和应用价值，添加到聚合物材料当中不仅能降低其生产成本，还提高了复合材料的力学性能和综合性能，甚至赋予其绝缘、阻燃等特殊的物理化学性质。

无机粉体一般为微米或纳米级颗粒，由于其粒径小、比表面积大、表面能高，容易发生团聚，难以在复合材料中均匀分散，影响添加效果。无机粉体的表面性质和聚合物有机体系相差甚远，这也使得无机粉体不能很好的分散到材料中。因此，当无机粉体添加到高聚物复合材料时，首先要对无机粉体进行表面改性，使其粒子表面有机化，改善其亲油性和与基体的相容性，增强界面结合能力，从而发挥无机粉体的功能[1]。

本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型的改性的方法，并分析了这些方法各自的优缺点。最后对无机粉体表面改性方法进行了展望。

1 无机粉体表面改性的机理

由于无机矿物材料是极性或强极性的亲水矿物，而有机高聚物基质具有非极性的疏水表面，彼此相容性差，通常无机矿物材料难以在有机基体中均匀分散，因此如果过多地或者直接将无机矿物材料填充到有机基体中，容易导致复合材料的某些力学性能下降甚至出现脆化等问题。无机粉体表面改性是利用粉体表面的活性基团或电性与某些带有两性基团的小分子或高分子化合物( 表面改性剂) 进行复合改性，使其表面性质由疏水性变为亲水性或由亲水性变为疏水性，从而改善粉体粒子表面的浸润性，增强粉体粒子在介质中的界面相容性，使粒子容易分散在水中或有机化合物中。粉体表面改性是材料制备工程的重要手段，也是新材

料、新工艺和新产品开发的重要内容，通过粉体表面改性可以提高粉体材料的附加价值、扩大产品的用途并且开发新的产品。如滑石粉可作为塑料填料，提高塑料制品的电绝缘性、抗酸碱性、耐火性等; 云母可作为塑料增强填料，提高塑料制品的弯曲弹性模量和拉伸弹性模量;高岭土具有优良的电绝缘性能和一定的阻燃作用，可作为聚氯乙烯等聚烯烃绝缘电线包皮; 石英对热塑性树脂和热固性树脂具有较高的补强作用，并且能提高制品的刚硬度，对提高塑料制品的电绝缘性也能起一定的作用; 金红石型二氧化钛作为塑料填料可增大光的反射率，起到光屏蔽剂的作用。赤泥、粉煤灰均为塑料填料，既可消除污染，又可降低成本。目前无机粉体表面改性技术在保证改性效果的前提下力求降低成本，并根据无机粉体的具体情况，如粒度大小、颗粒分布、表面极性、浸润性、电性、酸碱性以及应用目的和要求等来选择适当的表面改性剂和相应的改性工艺。

由于无机粉体种类的多样性以及表面改性剂的不断更新，无机粉体改性的方法很多。根据表面改性剂和粉体粒子之间有没有发生化学反应，可以将无机粉体表面改性方法分为表面物理改性和表面化学改性两大类。

2 传统的改性方法

2.1 物理表面改性

表面物理改性是通过分子间作用力( 如范德华力、氢键等) 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。

2.1.1 物理涂覆

物理涂覆改性即表面包覆改性，当无机粉体和改性剂按照一定比例混合时，由于搅拌的作用，改性剂通过静电引力或范德华力吸附在粉体表面，从而形成单层或多层包覆。与化学包覆改性不同的是，改性后改性剂与粒子表面无化学反应。由于包覆层的存在，粒子间产生了空间位阻斥力，对其再团聚起到了减弱或屏蔽的作用。该法几乎适用于所有无机粉体的表面改性。用于物理涂覆改性的改性剂主要有表面活性剂、超分散剂等[2]。经过物理涂覆以后，无机粉体的胶结能力、强度、耐高温能力等均有明显改善。

用荧光涂料涂覆的石英砂可作为示踪矿物，代替同位素示踪粒子，并且对生物体没有损害。张巨先等[3]利用非均匀成核法在纳米SiC微粒表面均匀涂覆一层Al( OH)3，涂覆后的SiC 粒子表面性质被改变，在1 000 ℃以下具有很强的抗

氧化能力，其水悬浮液表现出类似Al2O3胶体的性质，分散状况得到了改善。吕庆淮等[4]研究发现复合颗粒肥料外表面用液体石蜡包膜后再涂覆重质碳酸钙粉体可以提高肥料颗粒的分散性，有效地防止其在运输过程中结块。

2.1.2 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。在进行无机粉体表面物理改性时，表面活性剂主要是依靠吸引作用、静电吸附沉积作用或直接包裹到粉体颗粒表面，从而达到表面改性的目的。

张颖等[5]用十二烷基苯磺酸钠( SDBS) 对表面包覆Al( OH)3的纳米SiO2改性后，纳米SiO2粉体的团聚现象减少了，分散性提高了，并且改性后的纳米SiO2粉体与有机基体聚氨酯弹性体( PUE) 的相容性增强了，PUE 材料的力学性能也有较大的改善，能同时达到增强增韧的效果。

如果将高能表面改性与其他表面改性方法并用，效果会更好，但是由于高能改性方法技术复杂、成本较高，目前在粉体表面处理方面的应用并不多。

2.1.3 高能表面改性

高能改性是指采用超声波、辐照处理、热处理、等离子体等手段对无机粉体进行表面改性。主要是利用其强度高、易集中能量的特点。作用时分子间能产生强烈的振动，这可以使物质的特性和状态发生变化，从而达到对无机粉体表面改性的目的。此外因为作用时产生的局部高温高压、强冲击波等，较大程度地弱化了微粒间的相互作用，有效地防止微粒团聚，使之充分分散[6]。此法改性后的粒子大小均一，且不团聚，粒径大小可准确控制。

高能改性由于较少使用改性剂，因此不存在环境污染的问题。但此技术较复杂且成本高，改性效果不够稳定，主要用于纤维等增强材料的改性，目前还较难应用在实际生产中。将其它改性方法与高能表面改性结合处理，改性效果较理想。单长兵等用硬脂酸改性层状硅酸钠时同时施加了超声处理，改性后硬脂酸在硅酸钠表面既有化学吸附又有物理吸附。表面改性并未改变其物相组成，并且粒径经过改性后明显减小。