粉体的团聚与分散问题已经成为制备与发展陶瓷超细/纳米粉体的瓶颈。单相粉体往往难能满足高技术陶瓷与功能陶瓷发展的需要, 因此, 人们开展了超细粉体的表面修饰、表面改性乃至利用表面包覆技术改变材料的相结构和性质的研究。
粉体的表面修饰是解决超细粉体团聚的一种最重要的途径。粉体的表面修饰主要是改善粉体的表面化学与物理特性, 在提高粉体在介质中的分散性、降低粉体的团聚程度的同时, 赋予材料新的特性。
粉体的表面修饰
为了实现良好的表面修饰效果, 用于改性的有机物应该与颗粒达到最大程度的润湿,即形成均匀致密的包覆层, 这主要依赖于有机改性剂在颗粒表面的物理和化学吸附作用。其中物理吸附主要通过改性剂与颗粒之间通过范德华力、静电引力等物理作用; 化学吸附主要是利用颗粒外表面的官能团与改性剂间的化学反应实现表面活性剂对颗粒的表面包覆, 这是粉体表面修饰研究的主要内容。由于用于改性的有机物种类繁多、官能团结构各异, 其吸附机制以及吸附层的结构非常复杂。其吸附量以及吸附作用的强弱通常与粉体的表面性质, 改性剂的结构特点以及温度、介质性质( 如体系的pH 值、无机盐的添加) 等因素有关, 更多的是一些经验性的规律。
1. 偶联剂处理
偶联剂( coupling agent) 是一种同时具有与无机物和有机物分别反应的功能基团的化合物, 其分子量不大。偶联剂的作用是其一端能与粉体表面结合, 另一端可与分散介质有强的相互作用。因此, 偶联剂可以提高陶瓷材料与聚合物材料的亲和性, 实现粉体在聚合物材料中的分散。目前常用的偶联剂有钛酸酯偶联剂( 如三异硬脂酰基钛酸异丙酯:( CH3) 2CHOTi( OOC17H35) 3) 、硅烷偶联剂( 其通式可以表示为R- Si- X) 和锆铝酸盐偶联剂。
2 接枝反应
颗粒( 如TiO2、SiO2 等粉体) 表面因为存在活性羟基, 可以作为接枝聚合反应的地方。当然也可以在一定条件下, 应用化学或物理的方法使颗粒表面产生可参与接枝反应的活性基团。颗粒表面接枝聚合后, 粉体在有机溶剂或聚合物中的分散性有了显著改善。如利用TiO2 表面的活性羟基与丙烯酸反应形成含乙烯基的表面层, 再与苯乙烯单体聚合, 可以得到被聚苯乙烯包覆的TiO2 粉体。
3 静电吸附
陶瓷粉体表面多数带有羟基, 并且在不同的pH 值下, 表面带有不同的电荷。选用与此电荷电性相反的离子型表面活性剂, 静电作用可以使表面活性剂离子的荷电基团( 通常为亲水基) 吸附于粉体表面, 而疏水基则指向水相。如对于低等电点的陶瓷粉体, 可使用阳离子型表面活性剂对粉体形成单层吸附; 对于高等电点的陶瓷粉体, 可使用阴离子表面活性剂对粉体形成单层吸附, 从而使得粉体由亲水性表面变为疏水性表面。
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