表面物理化学

研究生课程论文

科目：表面物理化学教师：彭家惠

姓名：高国锋学号：20140902024 专业：建筑材料类别：学术

上课时间：2014 年9 月至2014 年11 月

考生成绩：

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

重庆大学研究生院制

浅谈无机粉体的表面改性

摘要：表面改性是无机粉体的主要加工技术之一，对提高无机粉体的应用性能和应用价值有着至关重要的作用。从粉体表面改性机理、方法、工艺、设备、表面改性剂及其配方等方面综述了无机粉体表面改性技术现状；从表面改性工艺与设备、改性剂及其配方、层状硅酸盐矿物粉体的插层以及表面无机复合改性等方面综述了非金属矿物表面改性技术的新进展；并对无机粉体表面改性技术的发展前景和发展趋势进行了展望。

关键词：无机粉体；表面改性

Abstract：Surface modification is one of themajor techniques for processing inorganic powders, which has utmost important role in improving their application performance and value. Present status of surfacemodification technology for inorganic powderswas introduced in terms ofways, process, equipmen, tsurfacemodifier, and formula thereof etc; from processand equipment surface modifier and formula thereo, f intercalation of layered silicate mineral powder, and inorganic compounding surface modification etc. the latest progress in non-metallic mineral surface modification technology was summarized; and the developmentprospectand trend were also forecasted.

Key words：inorganic powders; surface modification

粉体原料或粉体材料广泛用于塑料、橡胶、胶粘剂、化纤、油漆、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、保温隔热材料、阻燃剂、胶凝材料、造纸、机械、石油化工、电力、交通、微电子、冶金、建材、饮料、食品、药品、饲料、航空航天、土壤改良、废水、废气处理等领域。表面改性是优化无机粉体材料性能的关键技术之一，对提高无机粉体的应用性能和价值起着至关重要的作用[1]。中国无机粉体表面改性技术的研究开发始于20世纪80年代。20世纪90年代以后，由于塑料、橡胶、涂料等相关产业的快速发展，中国无机粉体表面改性技术的研发和应用速度加快，并于20世纪90年代末开始了专用于表面改性设备的研发。2000

年以来，以表面改性配方、工艺、设备为代表的无机粉体表面改性技术取得了显著进展，与工业发达国家的差距进一步缩小[2]。

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[3]。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[4]。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、无机粉体表面改性的方法

所谓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[5]。

2.1物理方法

1. 物理涂覆

物理涂覆是一种对无机粉体表面进行简单改性的工艺方法，它主要是利用表面活性剂-水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸等对粉体表面进行“覆膜”处理而达到表面改性的目的，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[6]等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1000度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. 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。Bijsterboscnh[7]等对水性溶液中聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺的接枝共聚物在钛和硅上的不同吸附行为进行了探索，为学者们研究无机粉体表面活性剂改性提供了理论支持，Somasundaran 研究发现表面改性的效果决定于表面活性剂和聚合物在液。固界面上的吸附行

为，张颖等用十二烷基苯磺酸钠对表面包覆Al(OH)3的纳米SiO

2改性后，纳米SiO

2

粉体的团聚现象减少了，分散性提高了，并且改性后的纳米SiO

2

粉体与有机基

体聚氨酯弹性体的相容性增强了，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，余江涛等利用阴离子表面活性剂对钛白粉进行改性，结果表明粉体的疏水性有所改善，其中使用十二烷基苯磺酸钠与硬脂酸的复配体系其接触

角可达116，TiO

2

粉体的亲油性明显提高，李远等研究发现使用高分子型超分散剂对纳米碳酸钙在聚丙烯中的分散效果显著提高。

3. 高能表面改性

利用紫外线、红外线、电晕放电和等离子体照射等方法对无机粉体进行表面处理的方法称为高能表面改性[8]。电子束辐射可以在颗粒体内部形成大能量释放和电击穿，造成微观缺陷及显微裂隙，从而强化颗粒的磨碎过程，以达到表面改性的目的，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。

4. 胶囊化改性