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【1分钟课堂】粉体表面改性——粉体的表面物理化学性质
来源:中国粉体技术网    更新时间:2017-07-10 09:50:18    浏览次数:
 
   1、什么粉体表面改性
  粉体表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面进行处理,根据应用的需要有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质,如表面组成、结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性、光性、吸附盒反应特性等,以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。

 
粉体表面改性之粉体的表面物理化学性质

  2、为什么要进行粉体表面改性
  (1)原因一:使无机填料由一般增量填料变为功能性填料
  无机填料在塑料、橡胶、胶黏剂等高分子材料工业及高聚物基复合材料领域占有重要地位!

 
无机填料在塑料、橡胶、胶黏剂等高分子材料工业及高聚物基复合材料领域占有重要地位!
 
  (2)原因二:提高涂料、油漆中颜料的分散性;改善涂料色泽、着色力、遮盖力、耐候性、耐热性、抗菌防霉性和保色性等
  改善表面润湿性;增强与基质的结合力;赋予涂料电、磁、抗菌防霉、防腐等功能!如:用氧化铝、二氧化硅包覆二氧化钛或钛白粉,可改善颜料耐候性等性能。
 
提高涂料、油漆中颜料的分散性;改善涂料色泽、着色力、遮盖力、耐候性、耐热性、抗菌防霉性和保色性等
 
  (3)原因三:使高附加值产品具有良好的光学效应和视觉效果,使制品色彩丰富
  经氧化钛、氧化铁、氧化锆等表面改性后做为颜料,赋予化妆品、塑料制品、浅色橡胶、油漆、特种涂料、皮革等制品珠光效应,显著提高其品质和价值!

 
经氧化钛、氧化铁、氧化锆等表面改性后做为颜料!
 
  (4)原因四:改善无机/无机复合体系颜料的分散性,提高产品性能和档次
  对于彩色陶瓷地砖中添加的陶瓷颜料,小组分陶瓷颜料在大组分陶瓷胚料中分散性的好坏,直接影响陶瓷制品色彩的均匀性和产品的档次;分散性好的陶瓷颜料可减少价格昂贵的颜料的用量。

  (5)原因五:对于层状晶体结构的粉体材料,利用插层改性,可制备新型层间插层矿物材料
  如黏土矿物层间化合物和石墨层间化合物。膨润土经有机插层改性后,在非极性和弱极性溶剂中具有良好的膨胀、吸附、触变和粘结等特性。

 
对于层状晶体结构的粉体材料,利用插层改性,可制备新型层间插层矿物材料。 如黏土矿物层间化合物和石墨层间化合物。
 
  (6)原因六:提高吸附和催化材料的吸附和催化活性、选择性、稳定性和机械强度等性能
  如在硅藻土、海泡石、沸石等粉体表面通过浸渍法负载金属氧化物(如TiO2)、碱或碱土金属、稀土氧化物、铜、银、金、钼、镍等金属或贵金属。

 
多孔硅藻土负载二氧化钛后可用做光催化材料
 
  (7)原因七:防止纳米离子团聚,提高纳米粉体的分散性,改善和提高纳米粉体材料的应用性能
  纳米粉体比表面积大、表面原子数多、表面能高,在制备、储运和使用过程中易团聚形成二次、三次或更大的颗粒,影响其纳米效应!

 
防止纳米离子团聚,提高纳米粉体的分散性,改善和提高纳米粉体材料的应用性能。

  (8)其他原因
  石棉:用无害、无污染、不影响其性能的其他化学物质覆盖、封闭其表面的活性点;
  铸造、钻井用石英砂:表面涂覆改善其粘结性能;
  珍珠岩:表面涂覆改善其防水和保温性能;
  煅烧高岭土:有机表面改性提高其在潮湿环境下的电绝缘性能;
  滑石、碳酸钙、硅灰石等造纸填料:表面改性提高其留着率和纸张强度,降低加入时的粉尘污染。

  (9)总的目的
  改善或提高粉体材料的应用性能;
  赋予粉体材料新的功能;
  满足新材料、新技术发展需求;
  满足新产品开发的需要;
  实现粉体材料的功能化、高值化利用。

  3、什么是粉体的比表面积
  定义:单位粉体质量的表面积,单位m2/g、cm2/g。
  重要性:比表面积是确定表面改性剂用量的主要依据之一,比表面积越大,达到同样包覆率所需的表明改性剂的用量就越多。
  计算公式:在粉体颗粒无孔隙的情况下,粉体材料比表面积计算公式如下:
  比表面积=k/(pd)
  P为粉体物料的密度;
  d为粉体材料的平均粒径;
  k为颗粒的形状系数,对于球形粒子k=6,几何形状比较简单的颗粒的形状系数见下表。
  只要已知粉体物料的平均粒径,就可计算其比表面积。

 
什么是粉体的比表面积
 
 
主要分连续流动法(即动态法)和静态容量法。目前广泛应用的方法是低温氮吸附法。

  静态容量法测试原理:将待测粉体样品装在一定体积的一段封闭的试管状样品管内,向样品管内注入一定压力的吸附质气体,根据吸附前后的压力或重量变化来确定被测样品对吸附质分子(N2)的吸附量。

  4、什么粉体的表面能
  定义:材料表面相对于材料内部所多出的能量,把一个固体材料分解成小块,破坏其内部化学键需要消耗的能量,单位erg/cm2。
  重要性:粉体的表面能越高,越倾向于团聚、吸附作用也就越强,越难在有机基质中分散。
  降低无机填料的表面能,使其易于在高聚物基料中分散是对无机填料进行有机表面改性的主要目的之一。
  影响固体粉体表面能的因素还包括:空气中的湿度、蒸气压、表面吸附水、表面吸附物及污染等。

 
什么粉体的表面能

  固体表面能不像液体的表面能那样容易测定,可通过接触角测量仪间接计算。
 
粉体物料的表面能

  5、什么是粉体的表面润湿性
  定义:润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性,粉体表面的润湿性通常用接触角来衡量。

 
什么是粉体的表面润湿性

  测量方法:粉末固体接触角常用的测量方法有透过测量法和薄板毛细渗透法。
 
什么是粉体的表面润湿性

  6、什么是粉体的表面吸附特性?
  定义:当气相或液相中的分子碰撞在粉体颗粒表面时,由于相互作用停留在粉体颗粒表面,造成这些分子在粉体颗粒表面的浓度比在气相或液相中的浓度大,这种现场称为吸附。
 
什么是粉体的表面吸附特性?吸附剂与吸附质

  物理吸附:
  吸附剂与吸附质之间无电子转移;
  吸附热较小;
  吸附速度快;
  不需要活化能;
  不受温度影响;
  吸附无选择性;
  结合力主要是范德华力和静电引力;
  可逆的多层吸附;
  吸附质可沿固体表面位移;
  不产生新的特征光谱。

  化学吸附:
  吸附剂与吸附质之间发生电子转移,形成化学键;
  吸附热较大;
  吸附速度较慢;
  需要活化能;
  随温度升高速度加快;
  吸附有选择性;
  非可逆的多层吸附;
  吸附质不可沿固体表面位移;
  多在紫外、可见或红外光谱波段出现新的特征吸收峰。
 
物理吸附于化学吸附

  粉体在溶液中的吸附:
  粉体的湿法表面改性实际上就是粉体吸附溶液中表面改性剂分子的过程。
  颗粒在溶液中有一层溶液膜,溶质必须透过这层膜才能被颗粒吸附。

 
粉体的湿法表面改性实际上就是粉体吸附溶液中表面改性剂分子的过程。
 
粉体的湿法表面改性实际上就是粉体吸附溶液中表面改性剂分子的过程。

  离子交换是层状结构黏土矿物的重要特征,离子交换吸附具有选择性。
 
离子交换是层状结构黏土矿物的重要特征,离子交换吸附具有选择性。

  离子交换容量:在pH=7时,每100g矿物能交换吸附阳离子的毫克当量数。
  如:膨润土阳离子交换容量为80-100毫克当量/100g;
  高岭土离子交换容量为15 毫克当量/100g。
  膨润土的吸蓝量:是依据亚甲基蓝在水溶液中,形成一价有机阳离子能与膨润土发生离子交换反应,形成有机膨润土复合物的特性。
  通过测定吸蓝量,可了解膨润土的阳离子交换量和蒙脱石的含量。
  高分子化合物在粉体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附。
 
不同pH值条件下,聚乙烯醇(PVA)与阳离子表面活性剂在二氧化硅表面的共吸附形式

  7、什么是粉体的表面化学性质?
  粉体的表面化学性质决定了其在一定条件下的吸附和化学反应活性以及表面电性和润湿性等。
 
什么是粉体的表面化学性质?

  (1)石英粉(硅微粉)
  石英经过机械粉碎后,颗粒表面会产生游离基或离子,形成下列2种基团:

 
石英硅微粉的表面官能团

  (2)高岭土
  天然高岭土主要由片状结晶的高岭石组成,其结构单元为由一个层状硅氧四面体和一个铝氧八面体通过共同的氧离子连接而成的1:1型层状硅酸盐矿物组成。

 
高岭土的表面官能团
 
  (3)滑石
  滑石为含镁硅酸盐矿物,其结构单元层中,上下两层为尖端彼此相对的硅氧四面体,中间夹一层硅氧镁层。

 
滑石的表面官能团
 
  (4)叶腊石
  叶腊石也是一种层状铝硅酸盐矿物,单晶片为T-O-T型,即两个硅氧四面体和一个铝氧(羟基)八面体片组成的2:1型结构。

 
叶腊石的表面官能团

  (5)云母
  云母为层状硅酸盐矿物,其单元晶体结构由两个四面体层和一个八面体层,八面体位于两个四面体之间。

 
云母的表面官能团
 
  (6)硅灰石
  硅灰石为链状钙硅酸盐矿物,其结构由钙氧八面体共边形链和硅氧四面体共顶角链构成。

 
硅灰石的表面官能团

  8、什么是粉体的表面电性?
  粉体颗粒表面的电性是由粉体颗粒表面的荷电离子,如H+、OH-等决定的。
  粉体颗粒表面的荷电性影响颗粒之间、颗粒与无机离子、表面活性剂离子及其他化学物质之间的作用力。
  等电点是粉体的重要性能之一:当溶液的pH值>等电点时,粉体表面荷负电,反之则荷正电。

 
等电点是粉体的重要性能之一:当溶液的pH值>等电点时,粉体表面荷负电,反之则荷正电。
 
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