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超细粉体材料表面改性方法概括分析

2015/2/8 22:33:22
文章来源:网络

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  超细粉体表面改性的目的:1、为了改善或改变粉体粒子的分散性;2、改善耐久性,如耐药、耐光、耐热、耐候性等;3、提高颗粒表面活性;4、使颗粒表面产生新的物理、化学和机械性能及新的功能,从而提高粉体的附加值。

  目前,表面改性的方法很多,分类方法依分析问题的角度不同而异。粉体表面改性方法分为6类,即:表面包覆改性、表面化学改性、机械力化学法改性、胶囊式改性、高能改性、沉淀反应改性。中国粉体网编辑对以上6种改性方面进行了梳理如下。

  一、表面包覆改性

  表面包覆改性是表面改性剂与粒子表面无化学反应,包覆物与粒子间依靠物理方法或范德华力而连接,该方法几乎适用于各类无机粒子的表面改性。此方法主要利用无机化合物或有机化合物对粒子进行表面包覆,减弱粒子的团聚作用,而且由于包覆物而产生了空间位阻斥力,使粒子再团聚十分困难。用于包覆改性的改性剂有表面活性剂、超分散剂、无机物等。

  赵海燕等以酒石酸作为表面活性剂,研究对SiC料浆流动性能的影响。结果表明:酒石酸的用量对碳化硅粉体表面活性的影响有很大程度的差别。一般情况下,酒石酸在用量为0.05%时,对碳化硅表面改性作用最好。胡圣飞等使用聚酯超分散剂改性纳米碳酸钙并用增塑剂的糊粘度来表征填料纳米碳酸钙在树脂中的流动性和分散性的好坏,体系的粘度越小则改性效果越好,经改性的纳米碳酸钙的糊粘度大幅度降低。陈飞跃等用超分散剂对炭黑进行改性,结果表明,超分散剂的加入明显改善了体系的分散性能,在最佳分散剂含量下,体系具有高流动度、低粘度、小触变性等性质。岳林海等在碳酸钙表面包覆无机二氧化硅层,可使其在一定程度上具有二氧化硅的性质,表面光滑度、白度、耐酸性、分散性、比表面积等都有较大的提高,能大大改善碳酸钙的应用性能。Prabhakaran等研究了氢氧化铝包覆SiC粉体的表面改性。在铝的覆盖率为0.1mg/m2时,SiC粉体表现出类似氧化铝的分散特性,zeta电位明显改善;当覆盖层铝增大到一定值时,悬浮液的流变性能降低。聚乙烯亚胺(PEI)表面改性可以提高SiC粉体的流动性能,改性后的颗粒尺寸均匀,形状多为球状。调节pH,改变聚乙烯亚胺和SiC颗粒表面的结合方式,聚乙烯亚胺吸附到SiC颗粒表面,增加了颗粒之间的静电排斥能,有助于提高SiC颗粒表面的分散性和流动性。采用聚乙二醇作为分散剂对工业用SiC粉体进行表面改性处理,通过TG、IR、电镜等测试技术研究了改性前后SiC粉体的流动特性、吸附、热重以及形貌等物性,分析了聚乙二醇加入量及液体介质对各种物性的影响。试验结果表明:聚乙二醇添加量为5%(质量分数),介质为乙醇时,改性SiC粉体流动特性较好;改性后颗粒之间分散较好,尺寸分布均匀,形状多为块状分布,而且粉体改性后碳化硅陶瓷制品的烧结性能也得到了改善。

  二、表面化学改性

  表面化学改性通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应或化学吸附的方式完成。Shirai等利用无机颗粒表面的羟基基团,在Si、TiO2和白炭黑等超细粒子表面接枝上具有引发聚合反应作用的基团,然后用这些基团引发乙烯基在粉体表面发生聚合反应,有效提高了超细粉体在有机介质中的分散性。李玮等在研究炭黑颗粒表面接枝丙烯酸中发现,在一定条件下,丙烯酸单体可以直接接枝在炭黑颗粒表面,从透射电镜观察中发现,由于接枝上去的聚丙烯酸长链含有离子亲水基团,在水介质中能较好地伸展空间位阻屏障作用,阻止了炭黑粒子的再聚集,使得炭黑粒子分散均匀,分散稳定性增加。MasaharuYamatoto等合成了一种大分子硅烷偶联剂并接枝在氧化钛表面上,从而使氧化钛在有机溶剂中很好的分散。Boven等和Tsubokawa等分别在二氧化硅表面引入偶氮基团和过氧基团引发甲基丙烯酸甲酯进行接枝聚合。章文贡等利用自制的铝酸酯偶联剂对碳酸钙粉末进行表面改性,改性后碳酸钙的吸湿性、吸油量降低,粒径变小,在有机介质中易分散,热稳定温度大于300℃。Jesion.owski等分别使用巯基硅烷、乙烯基硅烷和氨基硅烷偶联剂对二氧化硅进行了表面处理。测试结果表明,经前两者处理后,粒子的疏水性增加,表面羟基数目大量减少,导致二次团聚减少;而氨基硅烷偶联剂却没有这样的效果,这主要是因为后者分子结构中的氨基除了与SiO2表面的羟基反应外,还形成了分子间氢键从而又引起粒子的团聚。

  三、机械力化学改性

  机械力化学改性指的是通过粉碎、磨碎、摩擦等机械方法,使矿物晶格结构、晶型等发生变化,体系内能增大,温度升高,促使粒子溶解、热分解、产生游离基或离子,增强矿物表面活性,促使矿物和其他物质发生反应或相互附着,达到表面改性目的的改性方法。

  王栋知等研究了重钙在介质搅拌磨中的表面改性过程,结果表明,介质搅拌磨中机械化学作用对重钙改性起着积极的作用,并使得重钙粒度减小,比表面积增大。在此作用下,AA、AS(两种改性剂,国内产)药剂均在重钙表面发生化学吸附,实现了磨料与改性同时进行,起到分散与助磨作用。许向阳等采用机械化学处理对纳米金刚石进行表面改性,利用机械力与表面活性剂的协同作用,对纳米金刚石表面尤其是粉碎过程中新生成的表面进行修饰,调节颗粒表面亲水疏水性能,从而实现纳米金刚石在白油介质中的稳定分散。机械化学反应改性可将粉碎过程与表面改性过程相结合,具有工艺简洁、改性效果良好以及生产效率高等特点。丁浩、卢寿慈以硬脂酸钠为改性剂,研究了在搅拌磨中湿法超细研磨碳酸钙颗粒的同时进行表面改性,研究表明,湿法超细研磨过程中的机械力化学效应有利于颗粒表面改性,且改性效果受研磨细度、料浆浓度、pH、料浆温度以及研磨力的影响,其中以研磨力的影响最为重要。顾华志等将一定质量比的CaCO3和Ca(OH)2在行星式球磨机中进行研磨,实现Ca(OH)2对CaCO3的包覆和活化,提高了CaCO3分解形成的CaO的抗水化性,得到性能良好的耐火材料。

  四、胶囊式改性

  胶囊式改性是在粉体颗粒表面上覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面改性方法。Rong等用聚苯乙烯对Al2O3、SiO2包覆过的TiO2复合粒子进行了胶囊化,有效提高了该物质的吸光率及稳定性。朱立群等采用原位聚合法制备了种微胶囊以有机硅树脂和陶瓷纤维为囊芯材料,聚乙烯醇为囊材以有机硅树脂和细粉混合体为囊芯材料,聚乙烯醇为囊材。将含有有机硅树脂具有液体流动性和较好的热稳定性等物质的微胶囊复合进溶胶-凝胶膜层中,通过微胶囊中的液体修复微裂纹的作用而达到提高溶胶-凝胶复合膜层性能的目的。

  五、高能改性法

  高能改性法是利用等离子体或辐射处理等引发聚合反应而实现改性的方法。有研究表明:低温等离子体处理对玻璃纤维-环氧树脂复合材料性能有一定的影响,玻璃纤维放入等离子体发生器内处理时,随着处理时间的延长,玻璃纤维的质量损失由0.28%增至0.82。这是由于等离子体中的高能离子对纤维表面所引起的刻蚀作用所致。由于粗糙度增大,新生表面积增大,某些极性基团能更好的暴露,故其对偶联剂的吸附量大为增加。这必然改善纤维与环氧树脂的润湿性,从而提高了界面粘结和复合材料的力学性能。利用等离子体进行粉末的表面改性已应用于炭黑的氧化处理。用等离子体处理高聚物以改变其表面性质的研究已有不少报道,例如聚乙烯经氦等离子体处理。罗世永以六甲基二硅氧烷为单体,利用高频等离子体在超微细低熔磷酸盐玻璃粉体表面聚合硅氧聚合物包覆薄膜。用水和粉体压片之间的接触角变化表征了等离子体工艺参数对粉体表面能的影响。结果表明改性后粉体配制电子浆料的细度、黏度、流变特性提高显著。改性后可以改变或控制超微细粉体的表面能大小,从而可调节电子浆料的流变性和印刷适性。六、沉淀反应改性

  沉淀反应法是向含有粉体颗粒的溶液中加入沉淀剂,或者加入可以引发反应体系中沉淀剂生成的物质,使改性离子发生沉淀反应,在颗粒表面析出,从而对颗粒进行包覆。沉淀法主要可分为直接沉淀法、均匀沉淀法、非均匀形核法、共沉淀法、水解法等。刘永峙等在片状铝粉表面包覆一层ZnS,制备出的复合粒子Al/ZnS保持了Al粉的红外低发射率并同时遮盖其金属光泽,有利于兼容可见光伪装。张从容等在氢化钛表面均匀地包覆了一层SiO2,制备出复合型发泡剂,有效延迟了核物质的释氢时间。

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