1 表面改性工艺与设备
（中国粉体技术网/班建伟）2003年研发成功并开始在工业上应用的SLG型连续粉体表面改性机改变了我国自20世纪80年代以来非金属矿物粉体干法改性以高搅机间歇方式为主的格局，不仅显著提高了表面改性产品的质量，提高了改性作业的效率，而且降低了改剂用量和能耗：改性剂用量平均下降10%以上，单位产品能耗降低30%以上。同时解决了高搅机间歇式改性技术产品团聚(必须进行筛分或分级)、超细粉体外溢、损失物料和污染车间等问题，而且减轻了劳动强度，单机处理能力的扩大，使大规模稳定生产超细活性非金属矿物粉体成为可能。
目前，在工业上应用的SLG型连续表面改性机已达100多台套，应用领域包括超细及纳米轻质碳酸钙、超细重质碳酸钙 、超细高岭土、超细水镁石(氢氧化镁)及氢氧化铝、绢云母、滑石、硫酸钡、纳米氧化锌以及超细粉煤灰、玻璃微珠、白炭黑、钛白粉、纳米银粉等无机粉体；产品广泛用于塑料制品(塑料建材、管材、电线电缆、汽车塑料)、橡胶制品、涂料、油墨、胶粘剂等领域。
SLG型干法连续粉体表面改性机的结构如图1所示，主要由喂料机、料斗、计量加药泵、改性机、出料和进风装置等构成。其工作原理如图2所示，该机集成冲击、剪切和摩擦力、变向气旋涡流等作用对粉体和改性剂进行高强度分散并强化粉体与表面改性剂的碰撞作用；在粉体与转子、定子冲击摩擦过程中在有限腔内产生改性剂与粉体颗粒表面作用所需的温度。
这种以SLG型连续粉体表面改性机为主的干法粉体连续表面改性系统采用计量控制连续连动给料和给药(改性剂)技术及旋风集料和滤袋收尘以及负压运行原理连续收集产品。其主要特点是：①对超细粉体和表面改性剂分散性好；②粉体与表面改性剂的作用机会均等；③停留时间可调；④依靠摩擦自加热，最高可达到140℃；⑤表面包覆效果好，产品活化指数≥96%；⑥能耗低(超细活性轻质碳酸钙≤35kW·h/t产品)；⑦结构紧凑、自动化程度高、操作简便、无粉尘外溢；⑧单机生产能力大(1～4t/h)，目前正在开发的SLG-3/900机型(国家“十一五”科技支撑计划项目2008BAE60B01支持)将使其处理能力提高5t/h以上。
近年来，在表面改性工艺，特别是超细粉碎与表面改性一体化工艺及纳米粉体的原位修饰或表面改性工艺方面取得了显著进展。
国家“十一五”科技支撑计划重点项目“非金属矿资源综合利用技术研究”研发完成了机械超细粉碎—表面改性一体化装置；该装置针对超细粉碎过程中进行表面改性存在的颗粒包覆不均匀、包覆率不高等缺点在设备结构上进行了创新，产品的活化率较高，但产品细度只能达到d97=15μm左右，还有待进一步改进。
在压辊磨或环辊磨超细粉碎方解石过程中添加液态铝酸酯偶联剂及其他表面改性剂，生产出了可满足涂料、橡胶、人造石材等部分领域应用要求的超细活性重质碳酸钙填料。
在湿法超细研磨工艺中加入表面改性剂进行表面改性，如在超细氢氧化镁(水镁石)湿式超细研磨中添加可在水溶液中分散的表面改性剂，在超细粉碎的同时，实现超细氢氧化镁的初步改性。
无机非金属纳米粉体的表面改性或原位修饰是近年来无机粉体表面改性最主要的进展之一。在无机纳米粉体，如纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米无机晶须等的湿法制备过程中，在原级粒子形成过程或晶粒生长过程，或干燥前及时采用表面改性或表面修饰工艺，以控制产物的粒度分布、防止纳米粒子形成硬团聚体方面进行了大量研究并取得了显著进展，而且部分工业生产中得到了应用。
一种气流湍流颗粒表面改性处理工艺与装备的开发也是近几年表面改性与装备技术的主要进展之一。该方法的工作原理是采用高速气流形成的强湍流场对颗粒进行分散处理，使分散后的颗粒与气体一起呈浮态，然后通过雾化器将改性剂雾化后喷入已分散的、呈悬浮态的颗粒体系中，二者经过充分接触、混合与作用，是改性剂包覆于颗粒表面，完成颗粒的表面改性处理。图3所示为连续式气流湍流颗粒表面改性处理实验装置。
 2 表面改性剂及其配方
表面改性剂这几年取得的主要进展如下。
(1) 硅烷偶联剂。
国内的产品开发速度加快，产品品种、质量明显提高，生产能力不仅能满足国内所需，还大量出口欧美和日本市场。
(2) 铝酸酯偶联剂。
继膏状产品之后，近几年相继开发了液态、水溶性产品和兼具助磨和改性作用的新产品，不仅应用范围扩大，而且使用方便。
(3) 钛酸酯偶联剂。
品种增多，开发了水溶性产品以及针对特定用途的专用分散改性剂和复合改性剂。如用于船舶漆填料和颜料的专用改性剂、无机纳米粉体分散与抗团聚改性剂等。其他还有专用于超细轻质碳酸钙和纳米碳酸钙表面改性双子星表面活性剂二磷酸酯盐等。
近年来，表面改性剂的发展呈现出二个显著的特点：①复合型表面改性剂的开发，如钛/铝复合偶联剂、锆/铝偶联剂、硅/铝复合偶联剂等，不仅提高了偶联剂的适用性，而且降低了表面改性的成本；②专用表面改性剂的开发，如无机阻燃填料专用硅烷改性剂、钛酸酯和铝酸酯改性剂；专用表面改性剂针对性强，可以显著提高某一特定用途无机改性粉体的应用性能。
表面改性剂配方是表面改性技术的核心内容之一，具有实用价值的表面改性配方大多以发明专利的方式公开。表面改性配方技术虽然仍是目前国内与美、欧、日等发达国家和相关跨国公司差距较大的领域。但近几年由于企业研发投入的增加，取得了显著进展。例如，用于涂料、油墨、橡塑功能填料的纳米碳酸钙的表面改性剂配方；用于人造石的重质碳酸钙的表面改性配方；用于无机阻燃填料的氢氧化镁、氢氧化铝及其复合无机阻燃和绝缘填料的表面改性剂配方；PP和PA66用针状硅灰石增强填料的表面改性剂配方；工程塑料用滑石粉的表面改性配方以及用于涂料、塑料的超细钛白粉、超细和纳米白炭黑的表面改性剂配方等，已达到工业应用的程度或已经在工业上得到应用，给企业带来了较好的经济效益，也促进了相关应用的技术进步和产品升级。
3 层状硅酸盐矿物粉体的插层改性
层状硅酸盐矿物粉体的插层改性是研究最为活跃的表面改性领域之一。虽然早在20世纪70年代前后就有“有机膨润土”这类有机季铵盐类插层改性的产品问世，但近10年来研究日趋广泛和深入。除了有机膨润土产品品种和生产技术不断改进之外，聚合物/蒙脱土纳米复合材料(图4)、膨润土或蒙脱石的无机柱撑或交联等的研究和产业化也取得了显著进展。特别是聚合物/蒙脱土纳米复合材料已进入产业化阶段，对新型聚合物/纳米粘土复合材料的发展有重要的推动作用；此外，高岭土插层(利用尿素、联苯胺、乙酰胺等化学药剂)纳米复合材料、蛭石插层改性材料、绿泥石插层改性材料等层状硅酸盐矿物的插层改性技术研发也不同程度地取得一些有价值的进展。
 4 表面无机复合改性
非金属矿物粉体的表面无机复合改性是制备功能粉体材料的重要技术方法，近年来已成为粉体表面改性技术和功能材料制备技术的热点研发方向之一。目前取得的进展主要是纳米金属或氧化物、氢氧化物、碳酸盐表面改性的复合矿物粉体材料，如金属/粉煤灰空心微珠复合粉体、金属氧化物/硅灰石复合粉体、纳米TiO2/多孔矿物复合粉体(TiO2/硅藻土、( TiO2/ 蛋白土、TiO2/ 凹凸棒石、TiO2/ 沸石、TiO2/海泡石等)、金属氧化物/重晶石复合粉体、金属氧化物/云母复合粉体等；表面无机复合改性方法主要有物理法(如气相沉积、真空或溅射镀膜、机械研磨)和化学法(如均匀沉淀、溶胶凝胶)等。其中一些复合粉体材料已进入产业化或已进行中试。
表面无机复合改性涉及应用广泛的新型功能材料的开发，具有重要的商业化价值，因此，申请的发明专利近几年逐年增加。
(1) 金属/粉煤灰空心微珠。
北京航空航天大学采用磁控溅射技术在粉煤灰微珠表面镀镍、铜、银等金属膜使粉煤灰中的玻璃微 珠这种普通的粉体材料的应用价值显著提高，在航空航天材料领域及其他新材料领域展现良好的应用前景。
(2) 纳米硅酸铝/硅灰石复合粉体材料。
国家“十一五”科技支撑重点项目“优势非金属矿资源高效利用技术研究2006BAB12B01”针对硅灰石填料在工程塑料中应用存在的问题开发了一种表面纳米硅酸铝包覆改性的复合硅灰石矿物纤维(图5)。
这种表面无机改性后的矿物纤维可以显著提高其在PP及PA6中的填充性能，包括冲击强度、拉伸强度、弯曲强度及热变形温度等。
(3) 纳米碳酸钙/硅灰石复合粉体材料。
山西泰华公司采用化学工艺开发了一种表面纳米碳酸钙包覆改性的硅灰石粉体材料(图6)，这种复合粉体材料作为造纸的功能填料和纸浆代用材料，显著降低了磨耗值；作为PP填料，不仅显著提高了冲击强度，而且提高了PP复合材料的白度。
(4) 纳米TiO2/多孔矿物复合粉体。
2000年以来，负载型纳米TiO2复合材料成为该领域研究开发的热点。研究使用的载体材料包括多孔玻璃、硅藻土、蛋白土、沸石、凹凸棒石、海泡石等天然或人造多孔无机材料以及金属和有机物等，其目的是降低生产成本，便于使用，同时提高纳米TiO2的吸附捕捉性能和降低其禁带宽度，以提高其应用性能。
中国矿业大学(北京)与临江市美诗顿粉体材料有限公司开发的纳米TiO2/硅藻土复合粉体材料于2008年在临江市宝健木业有限责任公司建立了120t/年中试生产线并成功完成了中试。这种纳米TiO2/硅藻土复合材料具有以下特性：
 ①兼具吸附捕捉性能与光催化降解性能；②具有较高的比表面积和良好的光透性；③在紫外光和太阳光下都有优良的光催化性能而且稳定性和重复使用性能好。图7所示为精硅藻土、硅藻土负载纳米TiO2复合材料的扫描电镜图。中试产品已应用于木制百叶窗及高密度板印刷地板，经国家建筑材料工业环境监测中心权威检测，这种表面每平方米覆有4～8g纳米TiO2/硅藻土复合材料的木制品在日光灯下72h内对室内甲醛的去除率达到75%以上。
(5) 其他
表面无机复合改性的其他进展还有已经产业化并产生显著经济效益和社会效益的表面物理复合型和表面化学复合型活性无机阻燃剂；已经在冰箱、空调、塑料管材等中得到应用的沸石载银、铜抗菌材料；重晶石基复合导电矿物粉体材料；纳米氧化锌或纳米氧化钛/白色矿物抗紫外线复合材料等。
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