表面改性剂

一粉体表面改性概念

粉体表面改性, 是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面或界面进行处理,有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质,如表面能、表面润湿性、电性、吸附和反应特性、表面结构和官能团、等等,以满足现代新材料,新工艺和新技术发展的需要。

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

•(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

•(4)过程控制与产品表征与检测技术

•过程温度、浓度、酸度、时间及表面改性剂用量、表面包覆率或包膜厚度等监控技术

•表面改性产品的表征与检测（直接检测和表征）方法及仪器；

•控制参数与指标之间的对应关系及过程的智能化控制等。

五粉体表面的主要物理化学性质

•与粉体应用及表面改性有关的粉体表面及界面特性主要有：比表面积、表面能、表面化学组成、晶体结构、官能团、表面润湿性、表面电性、孔隙结构和孔径分布等。

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。

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。

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。

•固体自溶液中的吸附是最常见的吸附现象之一，粉体的湿法表面改性过程实际上就是粉体（吸附剂）吸附溶液中表面改性剂分子（溶液中的某一组分）的过程。

5、表面电性

－－双电层－ξ电位

6、表面的化学性质

•粉体表面的化学性质与粉体物料的晶体结构、化学组成、表面吸附物等有关，它决定了粉体在一定条件下的吸附和化学反应活性以及表面电性和润湿性等，对其应用性能以及与表面改性剂分子的作用有重要影响。

六粉体表面改性方法

1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

2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（4）表面改性设备等。

3沉淀包膜

•利用沉淀反应,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