11-12 粉体表面改性技术

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）
17
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
18
粉体表面改性的目的
19
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。
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。
25

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。
26
偶联剂

分类：
硅烷类
钛酸酯类

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。
20
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
22
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。

用氧化钴沉淀包膜α-Al2O3粉体。
34
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。
38



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。
39
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。
10
Hale Waihona Puke Baidu
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
11
电线电缆、PVC、EPDM
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。
12
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
36


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
37

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。
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
32
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。
33
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；

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
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
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
5
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。
铝酸酯类 锆铝酸盐 有机络合物
27
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。
28
常见硅烷的化学结构和主要物理性质
6

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。
7
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
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
29
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;
30
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。
31
粉体表面改性方法
化学沉淀表面改性法
表面化学改性法
44



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。
45
石英砂
石英砂
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。
14
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
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
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
40
表面化学改性法
湿法表面化学改性工艺流程图
41
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。
42
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。

在石油工业领域，会用到哪些
非金属矿？起到什么样的作用？
46
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


47
钻井泥浆加重剂

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。
43
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。
35
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。
色或干扰色。
15
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
16
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。
23
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



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；