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| 郑水林教授谈我国非金属矿物粉体表面改性技术现状 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-03-23 11:38:11 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）中国非金属矿物表面改性技术的研究和应用始于20世纪80年代，比发达的工业化国家晚了约20年。90年代以后，由于相关产业，特别是塑料、橡胶、涂料等的快速发展，中国非金属矿物表面改性技术的研发和应用速度加快，但改性装备还是以塑料行业的高速加热混合机为主，90年代末期开始了专用表面改性设备的研发。
2000年以来，以表面改性配方、表面改性工艺、表面改性设备为代表的非金属矿物表面改性技术取得了显著进展，与工业发达国家的差距也得到缩小。
1 非金属矿物粉体表面改性技术现状
1.1 表面改性方法
表面改性的方法很多，能够改变非金属矿物粉体表面或界面的物理化学性质的方法，如表面物理涂覆、化学包覆、无机沉淀包覆或薄膜、机械力化学、化学插层等可称为表面改性方法。 目前工业上非金属矿物粉体表面改性常用的方法主要有表面化学包覆改性法、沉淀反应改性法和机械化学改性法及复合法。
(1) 表面化学包覆改性法：是目前最常用的非金属矿物粉体表面改性方法，这是一种利用有机表面 改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、表面活性剂(高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、非离子型表面活性剂、有机硅油或硅树脂等)、有机低聚物及不饱和有机酸等。改性工艺可分为干法和湿法两种。
(2) 沉淀反应法：是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法。粉体表面包覆纳米TiO2、ZnO、CaCO3等无机物的改性，就是通过沉淀反应实现的，如云母粉表面包覆TiO2制备珠光云母颜料、钛白粉表面包覆SiO2和Al2O3。
(3) 机械力化学改性法：是利用超细粉碎过程及其他强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或无定形化，增强它与有机物或其他无机物的反应活性。机械化学作用可以增强颗粒表面的活性点和活性基团，增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术，是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性，如表面复合、包覆、分散的方法。
(4) 化学插层改性法：是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱(如分子键或范德华键)或存在可交换阳离子等特性,通过化学反应或离子交换反应改变粉体的性质的改性方法。因此，用于插层改性的粉体一般来说具有层状或似层状晶体结构，如蒙脱土、高岭土等层状结构的硅酸盐矿物或粘土矿物以及石墨等。用于插层改性的改性剂大多为有机物，也有无机物。
(5) 复合改性法：是指综合采用多种方法(物理、化学和机械等)改变颗粒的表面性质以满足应用的需要的改性方法。目前应用得复合改性方法主要有物理涂覆/化学包覆、机械力化学/化学包覆、无机沉淀反应/化学包覆等。
1.2 表面改性工艺
表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方法而异。目前工业上应用的表面改性工艺主要有干法工艺、湿法工艺、复合工艺三大类。干法工艺根据作业方式的不同又可以分为间歇式和连续式；湿法工艺又可分有机改性工艺和无机改性工艺；复合工艺又可分为物理涂覆/化学包覆、机械力化学/化学包覆、无机沉淀反应/化学包覆工艺等。
(1) 干法工艺：是一种应用最为广泛的非金属矿物粉体表面改性工艺。目前对于非金属矿物填料和颜料，如重质碳酸钙和轻质碳酸钙、高岭土与煅烧高岭土、滑石、硅灰石、硅微粉、玻璃微珠、氢氧化铝和轻氧化镁、陶土、陶瓷颜料等，大多采用干法表面改性工艺。
原因是干法工艺简单、作业灵活、投资较省以及改性剂适用性好等特点。其中，间歇式干法工艺的特点是可以在较大范围内灵活调节表面改性的时间(即停留时间)，但颗粒表面改性剂难以包覆均匀，单位产品药剂耗量较多，生产效率较低，劳动强度大，有粉尘污染，难以适应大规模工业化生产，一般应用于小规模生产。
连续式改性工艺的特点是粉体与表面改性剂的分散较好，颗粒表面包覆较均匀，单位产品改性剂耗量较少，劳动强度小，生产效率高，适用于大规模工业化生产。连续式干法表面改性工艺常常置于干法粉体制备工艺之后，大批量连续生产各种非金属矿物活性粉体，特别是用于塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的无机填料和颜料。
(2) 湿法表面有机改性工艺：与干法工艺相比具有表面改性剂分散好、表面包覆均匀等特点，但需要后续脱水(过滤和干燥)作业。一般用于可水溶或可水解的有机表面改性剂以及前段为湿法制粉(包括湿法机械超细粉碎和化学制粉)工艺而后段又需要干燥的场合，如轻质碳酸钙(特别是纳米碳酸钙)、湿法细磨重质碳酸钙、超细氢氧化铝与氢氧化镁、超细二氧化硅等的表面改性，这是因为化学反应后生成的浆料即使不进行湿法表面改性也要进行过滤和干燥，在过滤和干燥之前进行表面改性，还可使物料干燥后不形成硬团聚，改善其分散性。无机沉淀包覆改性也是一种湿法改性工艺。它包括制浆、水解、沉淀反应和后续洗涤、脱水、煅烧或焙烧等工序或过程。
(3) 机械力化学/化学包覆复合改性工艺：是在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加表面改性剂，在粉体粒度减小的同时对颗粒进行表面化学包覆改性的工艺。这种复合表面改性工艺的特点是可以简化工艺，某些表面改性剂还具有一定程度的助磨作用，可在一定程度上提高粉碎效率。
不足之处是温度不好控制；此外，由于改性过程中颗粒不断被粉碎，产生新的表面，颗粒包覆难以均匀，要设计好表面改性剂的添加方式才能确保均匀包覆和较高的包覆率；此外，如果粉碎设备的散热不好，强烈机械力作用过程中局部的过高温升可能使部分表面改性剂分解或分子结构被破坏。
(4) 无机沉淀反应/化学包覆复合改性工艺：是在沉淀反应改性之后再进行表面化学包覆改性，实质上是一种无机/有机复合改性工艺。这种复合改性工艺已广泛用于复合钛白粉表面改性，即在沉淀包覆SiO2或Al2O3薄膜的基础上，再用钛酸酯、硅烷及其他有机表面改性剂对TiO2/SiO2或Al2O3复合颗粒进行表面有机包覆改性。
(5) 物理涂覆/化学包覆复合改性工艺：是在对颗粒进行物理涂覆，如金属镀膜或覆膜后再进行表面有机化学改性的工艺。
1.3 表面改性设备
目前工业上应用的表面改性设备可分为两大类：
①从从化工、塑料、粉碎、分散等行业中引用过来的，如干法表面改性用的高速加热式混合机、冲击式粉体表面改性机、卧式加热混合机、以及湿法表面改性用的反应釜、可控温反应罐；
②专用粉体表面改性设备，主要有SLG型连续式粉体表面改性机和PSC型连续式粉体表面改性机。
1.4 表面改性剂及其配方
 非金属矿物粉体的表面改性，主要是依靠表面改性剂(或处理剂、包覆剂)在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现的。因此，表面改性剂对于粉体的表面改性或表面处理具有决定性作用。目前应用的表面改性剂主要有偶联剂、表面活性剂、有机低聚物、不饱和有机酸、有机硅、水溶性高分子以及金属氧化物及其盐等，常见国产品种及其应用列于上表。
随着与非金属矿物粉体相关高技术和新材料的发展及无机粉体应用技术的显著进展，表面改性非金属矿物粉体用量不断增加；针对超细重质碳酸钙、轻质碳酸钙、纳米碳酸钙、高岭土、滑石、云母、氧化硅、无机阻燃填料(氢氧化铝和氢氧化镁)、硅灰石、叶蜡石、硅藻土、氧化锌、石英、钛白粉、硫酸钡、陶土、氧化铁(红)、陶瓷颜料等非金属矿物的专有表面改性配方技术也在不断积累和成熟。
这些表面改性配方技术包括：用于PVC基塑料制品的碳酸钙(包括轻质碳酸钙和重质碳酸钙) ；用于工程塑料、塑料薄膜、橡胶、涂料、电缆等的超细高岭土、硅灰石、云母、硅微粉等；用于PVC 和EVA、PP等材料阻燃填料的超细氢氧化镁、氢氧化铝和复合阻燃填料；用于PP、PE基工程塑料的超细滑石粉、云母粉等；用于橡胶的超细绢云母、粉煤灰微珠、陶土等。目前，非金属矿物粉体表面改性配方技术还不能完全适应相关应用领域发展的需求。
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