11-12 粉体表面改性技术

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铝酸酯类 锆铝酸盐 有机络合物
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硅烷偶联剂


硅烷类偶联剂:具有特殊结构的低分子有机硅化 合物,通式为RSiX3 。 R------代表与聚合物分子有亲和力或反应能力的 活性官能团,如氨基、乙烯基、环氧基等; X------代表能够水解的烷氧基,如卤素、酰氧基 等。
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常见硅烷的化学结构和主要物理性质
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粉体表面改性剂

表面改性剂与粉体间的相互作用: 吸附、反应、包覆或成膜等。 偶联剂 表面活性剂 不饱和有机酸 聚烯烃低聚合物 有机硅 金属化合物
24偶联剂 Nhomakorabea

偶联剂:具有两性结构的化学物质。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。 分子中的一部分与粉体表面的官能团反应,形成 强有力的化学键合; 另一部分基团与有机高分子发生化学反应或物理 缠绕作用或与其它分散相亲和;
动 态 分 级 机
粉体表面改性
Surface Modification of Powder
主要内容
粉体表面改性的目的
粉体表面改性剂 粉体表面改性方法 影响粉体表面改性的主要因素
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粉体表面改性

粉体表面改性:利用物理、化学或机械的方 法对粉体颗粒表面进行处理,根据应用的需 要有目的地改变粉体材料表面的物理化学性 质,以满足现代新材料、新工艺和新技术发 展的需要。 物理化学性质:如表面组成、结构和官能团、 表面能、表面润湿性、电性、光性、吸附和 反应特性等。
自由涡或准自由涡离 构造比较简单,比较细的分 心力场中离心力与空 级(5-50μm);不适于高浓 气曳力作用 度、精密分级
集惯性分级、迅速分 级和微细颗粒的附壁 效应等原理于一身
喷射射流可使粉体得到良好 的预分散;分级效率和分级 精度高,可获得多级产品
干式超细分级设备
类 型 分级机 种类 分级室 回转型 叶片回 转型 带颗粒 分散型 3 分级机 款式 TC式、 Acucut 式 MP式 MSS式 ATP式 O-Sepa 式 强制涡离心场中离 心力与空气曳力的 作用 构造复杂,需要动力;微 粉分级(1-100μm),适 于高浓度、精密分级 分级 原理 性能 特点
高折光指数的金属氧化 物,低折光指数的云母芯 片及低折光指数的周边介 质平行排列,产生可视的 彩虹颜色。
珠光颜料
(云母/金属氧化物)
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粉体表面改性的目的
三氧化二铁
三氧化二铁
金属色及干扰色
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粉体表面改性的目的
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粉体表面改性的目的

纳米粉体的比表面积大、表面原子数多、表面能 高,在制备、储运和使用过程中很容易团聚成二 次、三次或更大的颗粒,从而不能发挥其应有的 纳米效应。
静 态 分 级 机
颗粒在重力场中沉降 水平流型、 速度不同,落下位置 垂直流型 不同 由于不同粒径颗粒的 惯性不同,形成不同 的运动轨迹,从而实 现大小颗粒的分级
惯性 分级 离心 分级 其它
碰撞式、 附壁式 旋风式、 DS式 射流式 2
构造简单,不需动力;适于 较大的颗粒(10-250μm); 较大的处理能力;不适于精 密分级
将矿物粉体与有机基体两种性质差异很大的物质 牢固地结合在一起,使无机粉体与有机高聚物分 子之间产生具有特殊功能的桥联作用。
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偶联剂

作用:

抑制粉体的团聚,增大填充量; 较好的保持分散均匀;


改善制品的综合性能,特别是抗张强度 、冲击
强度、柔韧性和屈挠强度等。
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偶联剂

分类:
硅烷类
钛酸酯类
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硅烷偶联剂


作用机理:
与硅相连的3个Si-X基水解成Si—OH; Si—OH之间脱水缩合成含Si—OH的低聚硅氧烷;
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硅烷偶联剂


低聚物中的Si—OH与基材表面上的OH形成 氢键; 加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形成共价 键连接。
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粉体表面改性方法
化学沉淀表面改性法
表面化学改性法

用呋喃树脂涂抹的石英砂用于油井钻探还可提高
油井产量。
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石英砂




铸造------砂型铸造------铸 造砂 铸造砂(foundry sand)-----铸造生产中用来配制型 砂和芯砂的一种造型材料。 在用粘土作为型砂粘结剂 的情况下,每生产1吨合格 铸件,大约需要补充1吨新 砂,因此在砂型铸造生产 中铸造砂的用量最大。 最常用的铸造砂是硅质砂。
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酸溶性缓冲剂法制备云母钛珠光颜料

将云母粉、钛盐配制成混合水溶液,同时加入易 与酸反应而又不溶于水或对水溶解度很小的金属 或金属氧化物的成型物,如铁丝、锌粒、氧化铝、 氧化锌等。
进行搅拌使云母薄片悬浮起来,缓慢升温至水解 反应温度,并保温3小时左右,让包膜过程缓慢而 均匀地完成。 再经过滤、洗涤、干燥、煅烧,即可制得呈现强 烈珠光光泽的云母钛珠光颜料。
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石油、天然气开采------压 裂工艺 油层压裂工艺过程------用 压裂车把高压大排量具有 一定粘度的液体挤入油层, 当把油层压出许多裂缝后, 加入支撑剂充填进裂缝, 提高油层的渗透能力,以 增加注水量或产油量。 目前油田广泛使用的支撑 剂为石英砂和人工烧结陶 粒。
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石英砂
石英砂
涂覆改性法
机械力化学改性法
胶囊化改性
高能表面改性法
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化学沉淀表面改性法

化学沉淀表面改性法:利用无机化合物在
颗粒表面的沉淀反应,在颗粒表面形成一 层或多层“包膜”,以达到改善粉体表面
性质的目的。

化学沉淀法是无机颜料表面改性最常用的
方法之一。
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化学沉淀表面改性法

举例:

用氧化铝或二氧化硅处理二氧化钛(钛白粉); 通过金属氧化物(如氧化钛、氧化铁、氧化铬 等)在白云母颗粒表面的沉淀反应包膜于云母 颗粒表面,制备珠光云母;
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粉体表面改性的目的
降低材料的生产成本,改善粉体颗粒在基质中的 分散性、稳定性和相容性。
提高粉体颗粒的化学稳定性,如耐药性、耐光性、 耐候性等。 改善粉体的物理性质,如光学效应、机械强度等。
表面改性在纳米粉体中具有重要的作用。
出于环保和安全生产的目的。
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粉体改性的目的
应用领域:塑料、橡胶、胶粘剂等高分子材料工 业及高聚物基复合材料领域—填料 粉体举例:轻质碳酸钙和重质碳酸钙、高岭土、 滑石、石英、硅藻土、云母、硅灰石、叶蜡石等
化物进行表面改性,赋予制品珠光效应,可用 于化妆品、塑料制品、浅色橡胶、油漆、特种 涂料、皮革等。
13
粉体表面改性的目的
天然或人工养殖的珍
珠为层状结构,由碳酸
钙及蛋白质层交替裹着
珠母
一个核心组成。
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粉体表面改性的目的
由于折射光,反射光
及穿透光在特定层互相
作用产生类似彩虹的颜
光在珠母内的反射

在石油工业领域,会用到哪些
非金属矿?起到什么样的作用?
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钻井泥浆原料


钻井泥浆:在进行油、气钻井等工作时,要使用 泥浆来冷却钻头、清除碎屑、保护井壁及平衡地 压。 膨润土是制造钻井泥浆的理想材料。
据了解,平均每采一口井,大约使用膨润土8吨。 利用特性:膨胀性、悬浮性、分散性、触变性


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钻井泥浆加重剂

增量填料

功能填料
提高材料的硬度、刚性或尺寸稳定性,改善材料 的力学性能,并赋予材料某些特殊的物理化学性 能,如耐腐蚀性、耐候性、阻燃性和绝缘性等。
8
粉体改性的目的
玻璃微珠-聚酰胺之间的相容性
9
粉体改性的目的
Mechanical properties of nano-titania/PP compsites
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表面化学改性法

表面化学改性法:采用多种工艺
过程,使表面改性剂与粉体颗粒
表面进行化学反应,或者使表面
改性剂吸附到粉体颗粒表面,进
行粉体表面改性的方法。
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表面化学改性法

举例:

硅烷偶联剂改性二氧化硅; 螯合型钛酸酯偶联剂改性高岭土、滑石粉等。

特点:适用范围广、成本低、易于操作等优点, 在非金属矿粉体的表面改性中常被使用。
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酸溶性缓冲剂法制备云母钛珠光颜料
酸溶性缓冲剂法工艺流程示意图
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包膜之前,钛盐的加入量应根据云母薄片的比表面 积和所需沉积达到的颜色而定。对于同一比表面积 的云母薄片,钛盐的加入量不同,所得珠光颜料呈 现的干涉色也不同。
加入的金属和金属氧化物起缓冲剂作用,当钛盐加 热水解时,析出的偏钛酸沉积在云母薄片表面上, 伴随生成的酸则与金属或金属氧化物反应生成盐。 由于这种成盐反应,使悬浮液的PH值得以缓冲,酸 度相对稳定,有利于偏钛酸平滑地沉积在云母薄片 上。 形成均匀的薄膜缓冲剂对钛盐的理论物质的量比最 好在1.0以上,生成的酸有多余,不利于形成均匀的 薄膜。

用氧化钴沉淀包膜α-Al2O3粉体。
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云母钛珠光颜料的制备




合成云母钛珠光颜料的主要原料是白云母粉和可溶 性钛盐,根据合成方法不同,还需少量化学药品。 白云母粉是经过湿法粉碎的,要求表面光滑,粒度 200-300目,径厚比为100-10:1,常用的钛盐为四氯 化钛或硫酸氧钛。 合成原理:利用钛盐易水解的特性,在严格控制温 度和PH值条件下,让钛盐慢慢的水解生成水合氧化 钛,且均匀包覆在云母粉表面上,形成透明的水合 氧化钛薄层。 经过过滤、洗涤、干燥、焙烧,使水合氧化钛转变 成为锐钛型或金红石型的二氧化钛包膜。

对改善和提高纳米粉体的应用特性、加速其工业 应用具有至关重要的意义。
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粉体表面改性的目的
比 例 % 粒径/nm 表面原子数相对总原子数
21
粉体表面改性的目的
改性前
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改性后
碳酸钙纳米粒子的透射电镜照片
粉体表面改性的目的

为了保护环境,满足健康法的要求。

对某些公认的对健康有害的原料(如石棉)进行 表面处理,用对人体无害和对环境不构成污染, 又不影响其使用性能的其他化学物质覆盖、封闭 其表面的活性点,以维持其在未来矿产品的位臵。
涂料
阻燃、改善工艺性能
改善分散性、触变性
粉体表面改性的目的

举例: 钛白粉具有较强的光化学活性,应用于漆膜、 涂料时,会出现变色、粉化、剥落等现象。
用氧化铝、二氧化硅包覆钛白粉,将TiO2的光
活性点封闭起来,可提高其耐候性能。
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粉体表面改性的目的

举例:

白云母粉
珠光云母
用氧化钛、氧化铬、氧化铁、氧化锆等金属氧
色或干扰色。
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粉体表面改性的目的
人工合成珠光颜料正 是根据了天然珍珠的结 构原理,因而具有天然 珍珠对光进行折射和反 射的特性。
入射光被薄膜反射或 折射;部分光能穿透薄 膜,部分被反射。 反射光的颜色因薄膜 层的厚度不同而异。
干扰色在薄膜层结构中的
显色原理
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粉体表面改性的目的
珠光颜料为无机颜料。 它们由云母芯片组成,其 外层包裹为具有高折射指 数的金属氧化物,如二氧 化钛,氧化铁。
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表面化学改性法
湿法表面化学改性工艺流程图
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涂覆改性法

涂覆改性法:利用无机物或有机物,主要是表面
活性剂、水溶性、油溶性高分子化合物及脂肪酸 皂等,对粉体颗粒表面进行包覆,达到表面改性
的方法。

实质上涂覆改性法有时也伴随有吸附、附着及简
单化学反应或沉淀现象进行。
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涂覆改性法

举例:
酚醛树脂或呋喃树脂等涂覆石英砂:除了提高精 细铸造砂的粘结性能外,还能获得高的熔模铸造 速度,并保持在模具和模芯生产中得到高抗卷壳 和抗开裂性能。
超细粉碎与超细分级


概述
超细粉碎设备与工艺


超细分级技术与设备
超细粉碎工艺 超细粉碎、分级系统设备选择
1
干式超细分级设备
类 型 分级机 种类 具体分类 分级 原理 性能 特点 构造简单、操作压降小;适 于粗粒分级(2002000μm );处理能力大, 分级精度差,不适于精密分 级
重力 分级
种类
氨基 硅烷
化学名称
氨丙基三乙 氧基硅烷
化学结构
商品名称
NH2(CH2)3Si(OCH2CH3)3
O 缩水甘油醚 环氧基 氧丙基三甲 CH2CHCH2OCH2CH2CH2Si(OCH3)3 硅烷 氧基硅烷
乙烯基 乙烯基三甲 CH2=CHSi(OCH3)3 氧基硅烷 硅烷
KH550、 A-1100、 SCA1113 KH560、 A-187、 SCA403 A-171、 SCA1603
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粉体表面改性后的部分无机填料的应用和功能
无机填料 碳酸钙 高岭土 硅灰石 云母 石英粉 主要用途 PVC管 轮胎、EDPM、电线电缆 尼龙 聚烯烃 环氧树脂的磨铸料 主要功能 提高填充量 颜料代用品、电性能 改善物理性能、代替玻纤 改善物理性能 电性能
氢氧化铝
蒙脱土
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电线电缆、PVC、EPDM
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