改性与改型
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来源:中国粉体技术网    更新时间:2018-12-14 16:49:34    浏览次数:
 

  表面改性是采用物理、化学、机械等方法,根据应用需要有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质,以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需求。因此,粉体表面改性技术越来越受到从事粉体加工和应用的工程技术人员的重视,在工业上的应用也越来越广泛。
  粉体表面改性是集粉体加工、材料加工、材料性能、化工、机械等于一体的新技术,具有针对性或目的性强的特点,工艺方法和影响因素较多。
  下面,粉体技术网就从「改性剂配方、工艺、设备、效果评价方法及发展趋势」等方面进行阐述,以期大家对表面改性技术有更深一步的了解。
 
一、表面改性配方
 
  粉体的表面改性在很大程度上是通过表面改性剂在粉体表面的作用来实现的。因此,表面改性剂的配方(品种、用量和用法)对粉体表面的改性效果和改性后产品的应用性能有重要影响。
  表面改性剂配方具有针对性很强,即具有一把钥匙开一把锁的特点。表面改性剂的配方包括选择品种、确定用量和用法等内容。
 
1、表面改性剂品种
 
  选择表面改性剂品种的主要考虑因素是粉体原料的性质、产品的用途或应用领域以及工艺、价格和环保等因素。
 

▼常用表面改性剂
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(1)粉体原料的性质
 
  粉体原料的性质主要是酸、碱性、表面结构和官能团、吸附和化学反应特性等,应尽可能选择能与粉体颗粒表面进行化学反应或化学吸附的表面改性剂,因为物理吸附在其后应用过程中的强烈搅拌或挤压作用下容易脱附。
  例如,石英、长石、云母、高岭土等呈酸性的硅酸盐矿物表面可以与硅烷偶联剂进行键合,形成较牢固的化学吸附;但硅烷类偶联剂一般不能与碳酸盐类碱性矿物进行化学反应或化学吸附,而钛酸酯和铝酸酯类偶联剂则在一定条件下和一定程度上可以与碳酸盐类碱性矿物进行化学吸附作用。因此,硅烷偶联剂一般不宜用作碳酸盐类碱性矿物粉体,如轻质碳酸钙和重质碳酸钙的表面改性剂。
 
(2)产品用途
 
  产品的用途是选择表面改性剂最重要的考虑因素。不同的应用领域对粉体应用性能的技术要求不同,如表面润湿性、分散性、pH值、遮盖力、耐候性、光泽、抗菌性、防紫外线等,这就是要根据用途来选择表面改性剂品种的原因之一。
  要想增强无机粉体与有机高分子聚合物的相容性和在有机质中的分散性,以提高材料的机械强度和综合性能,可选择有机表面改性;
  要想得到新型矿物层间化合物,如黏土或石墨层间化合物,可选择插层改性;
  要想代替白炭黑及补充白炭黑在某些性能上的不足,可选择表面包覆二氧化硅;
  要想代替钛白粉或减少钛白粉用量,可选择表面包覆二氧化钛;
  要想提高橡胶制品的某些特殊性能,可选择表面包覆金属颗粒;
  要想提高制品的光学效益和视觉效果,可选择表面包覆氧化钛、氧化铬、氧化铁等金属氧化物。
  同时,不同应用体系的组分不同,选择表面改性剂时还须考虑与应用体系组分的相容性和配伍性,避免因表面改性剂而导致体系中其他组分功能的失效。

(3)改性工艺

  此外,选择表面改性剂时还要考虑应用时的工艺因素,如温度、压力等。所有的有机表面改性剂都会在一定的温度下分解,如硅烷偶联剂的沸点依品种不同在100~310℃之间变化。因此,所选择的表面改性剂的分解温度或沸点最好高于应用时的加工温度。
  改性工艺也是选择表面改性剂的重要考虑因素之一。目前的表面改性工艺主要采用干法和湿法二种。对于干法工艺不必考虑其水溶性的问题,但对于湿法工艺要考虑表面改性剂的水溶性,因为只有能溶于水才能在湿式环境下与粉体颗粒充分地接触和反应。
  例如,碳酸钙粉体干法表面改性时可以用硬脂酸(直接添加或用有机溶剂溶解后添加均可),但在湿法表面改性时,如直接添加硬脂酸,不仅难以达到预期的表面改性效果(主要是物理吸附),而且利用率低,过滤后表面改性剂流失严重,滤液中有机物排放超标。其他类型的有机表面改性剂也有类似的情况。因此,对于不能直接水溶而又必须在湿法环境下使用的表面改性剂,必须预先将其皂化、铵化或乳化,使其能在水溶液中溶解和分散。

(4)其他因素

  最后,选择表面改性剂还要考虑价格和环境因素,在满足应用性能要求或应用性能优化的前提下,尽量选用价格较便宜的表面改性剂,以降低表面改性的成本。同时要注意选择不对环境造成污染的表面改性剂。
 
2、表面改性剂的用量
 
  理论上在颗粒表面达到单分子层吸附所需的用量为最佳用量,该用量与粉体原料的比表面积和表面改性剂分子的截面积有关,但这一用量不一定是100%覆盖时的表面改性剂用量,对于无机表面包覆改性,不同的包覆率和包膜层厚度可能表现出不同的特性,如颜色、光泽等。
  因此,实际最佳用量的确定还是要通过改性试验和应用性能试验来确定,这是因为表面改性剂的用量不仅与表面改性时表面改性剂的分散和包覆的均匀性有关,还与应用体系对粉体原料的表面性质和技术指标的具体要求有关。
  对于湿法改性,表面改性剂在粉体表面的实际包覆量不一定等于表面改性剂的用量,因为总是有一部分表面改性剂未能与粉体颗粒作用,在过滤时被流失掉了。因此,实际用量要大于达到单分子层吸附所需的用量。
 
3、使用方法
 
  表面改性剂的使用方法是表面改性剂配方的重要组成部分之一,对粉体的表面改性效果有重要影响,好的使用方法可以提高表面改性剂的分散程度和与粉体的表面改性效果,反之,使用方法不当就可能使表面改性剂的用量增加,改性效果达不到预期目的。
  表面改性剂的用法包括配制、分散和添加方法以及使用二种以上表面改性剂时加药顺序。
  表面改性剂的配制方法要依表面改性剂的品种、改性工艺和改性设备而定。不同的表面改性剂需要不同的配制方法,例如,对于硅烷偶联剂,与粉体表面起键合作用的是硅醇,因此,要达到好的改性效果(化学吸附)最好在添加前进行水解。
  对于使用前需要稀释和溶解的其他有机表面改性剂,如钛酸酯、铝酸酯、硬脂酸等要采用相应的有机溶剂,如无水乙醇、甲苯、乙醚、丙酮等进行稀释和溶解。
  对于在湿法改性工艺中使用的硬脂酸、钛酸酯、铝酸酯等不能直接溶于水的有机表面改性剂,要预先将其皂化、铵化或乳化为能溶于水的产物。
  添加表面改性剂的最好方法是使表面改性剂与粉体均匀和充分的接触,以达到表面改性剂的高度分散和表面改性剂在粒子表面的均匀包覆。因此,最好采用与粉体给料速度连动的连续喷雾或滴(添)加方式,当然只有采用连续式的粉体表面改性机才能做到连续添加表面改性剂。
  无机表面改性剂的配制方法比较特殊,需要考虑溶液pH值、浓度、温度、助剂等多种因素。例如,白云母表面包覆二氧化钛时,要预先将硫酸氧钛或四氯化钛进行水解。
  在选用二种以上的表面改性剂对粉体进行处理时,加药顺序也对最终表面改性效果有一定影响。在确定表面改性剂的添加顺序时,首先要分析二种表面改性剂各自所起的作用和与粉体表面的作用方式(是物理吸附为主还是化学吸附为主)。一般来说先加起主要作用和以化学吸附为主的表面改性剂,后加起次要作用和以物理吸附为主的表面改性剂。
  例如,混合使用偶联剂和硬脂酸时,一般来说,应先加偶联剂,后加硬脂酸,因为添加硬脂酸的主要目的是强化粉体的疏水亲油性以及减少偶联剂的用量、降低改性作业的成本。
 
二、表面改性工艺
 
1、表面改性工艺选择依据
 
  粉体表面改性工艺选择的主要依据是改性目的、改性方法、改性剂性质和原料性质等。 
  (1)以偶联剂或其他有机物为表面改性剂旨在提高表面与高聚物相容性的非金属矿物填料或颜料的表面有机改性一般采用表面化学包覆改性法,工艺可采用干法或湿法。
  在前段为干法制粉的情况下一般采用干法改性工艺,而在前段为湿法制粉的情况下,既可采用湿法改性工艺(改性后再过滤和干燥),也可干燥后采用干法改性工艺。
  在粉体原料很细的情况下,采用湿法改性工艺可在一定程度上防止干燥后微细颗粒形成硬团聚体,有利于恢复原粒度。
  (2)以无机盐或氧化物的前驱体为表面改性剂旨在制备功能性复合粉体材料的无机表面复合改性,一般采用湿法化学沉淀法,完成表面无机包覆后再进行洗涤、过滤、干燥和热处理。
  (3)以季铵盐和其他有机盐类为表面改性剂旨在制备层间化合物和改善层状非金属矿物,如蒙脱石在有机溶剂中流变性和提前其与有机单体原位聚合性能的表面改性,一般采用湿式化学插层改性方法,完成插层后再进行过滤、干燥和解聚。
  (4)对于不能溶于水的有机表面改性剂,要采用干法表面改性工艺;如果一定要在湿法(水中)使用就必须进行皂化、铵化、乳化等预处理。对于某些对改性温度要求不严的表面改性,可以在粉体研磨粉碎过程中添加表面改性剂进行表面改性。
  (5)对于容易在水中溶解的原料,最好采用干法表面改性工艺。
 
2、几种典型的表面改性工艺流程
 
(1)有机化学包覆改性
 
  采用干法改性工艺和湿法改性工艺均可,湿法改性工艺中改性剂必须是水溶性的。
 

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▲有机化学包覆改性干法工艺和湿法工艺

 
(2)机械力化学和有机化学包覆复合改性
 
  采用干法改性工艺和湿法改性工艺均可,湿法改性工艺中改性剂必须是水溶性的。

 

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▲机械力化学和有机化学包覆复合改性干法工艺和湿法工艺

 
(3)沉淀反应改性工艺

  沉淀反应改性是为了改善粉体的催化、抗菌、光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐候性、阻燃、电、磁、热等性能,一般采用湿法工艺。

 

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▲湿法沉淀反应改性工艺

 
(4)沉淀反应和有机化学包覆复合改性
 
  目的是既要改善粉体的化、抗菌、光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐候性、阻燃、电、磁、热等性能,又要改善粉体与聚合物之间的相容性,一般采用湿法和干法结合工艺。


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▲沉淀反应和有机化学包覆复合改性湿法工艺


三、表面改性设备
 
  工艺与设备是最终实现按应用需要改善粉体表面性能的关键因素之一,而粉体表面改性设备的类型很多,既有干法改性设备,也有湿法改性设备。了解设备的结构、原理及适用范围是正确选择表面改性设备的基础。
 
1、SLG型连续式粉体表面改性机
 
  SLG型连续式粉体表面改性机主要由温度计、出料口、进风口、风管、主机、进料口、计量泵和喂料机等组成。其系统配置一般包括给料装置、改性剂计量添加装置、主机、旋风集料器、布袋收尘器等。


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▲SLG表面改性机


  工作原理:待改性物料经喂料机给入,经与自动计量和连续给入的表面改性剂接触后,依次通过三个圆筒形的改性腔从出料排出。
 

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▲SLG表面改性机工作原理


  在改性腔中,特殊设计的高速旋转的转子和定子与粉体物料的冲击、剪切和摩擦作用,产生其表面改性所需的温度,该温度可通过转子的转速、粉料通过的速度或给料速度以及风门大小来调节,最高可到150℃。
  同时转子的高速旋转强制粉体物料松散并形成涡流二相流,使表面改性剂能迅速、均匀地与粉体颗粒表面作用,包覆于颗粒表面。

性能特点:

  (1)对粉体及表面改性剂的分散性好,不仅改性产品无团聚颗粒,而且对原料中的团聚体颗粒有一定的解聚作用;
  (2)连续计量匹配进料和进药(改性剂),粉体与表面改性剂的作用计划均等,粉体表面包覆均匀,产品包覆率高;
  (3)能耗低,以SLG-3/600型机为例,用于超细轻质碳酸钙改性的单位产品能耗不大于35KW•h/t;
  (4)无粉尘污染,系统闭路和负压运行且配有高效除尘装置;
  (5)连续生产,自动化程度高,操作简便;
  (6)运行平稳。
  适用范围:适用于连续大规模生产各种表面有机化学包覆的无机粉体,如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、高岭土、氧化锌、氢氧化镁、强氧化铝、绢云母、硫酸钡、白炭黑、钛白粉、滑石、硅微粉等无机活性填料或颜料。
  既可以与干法制粉工艺(如超细粉碎工艺)配套,也可单独设置用于各种超细粉体的表面改性以及纳米粉体的解团聚和表面改性。

2、高速加热式混合机
 
  高速加热式混合机是无机粉体,如无机填料或颜料表面化学包覆改性常用的设备之一,这是塑料制品加工行业广泛使用的混料设备。
  高速加热式混合机主要由回转盖、混合锅、折流板、搅拌装置、排料装置、机座等组成。
 

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▲高速加热式混合机

 
  工作原理:当混合机工作时,高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力使物料沿叶轮切向运动。同时,由于离心力的作用,物料被抛向混合室内壁,并沿壁面上升到一定高度后因重力作用又回到叶轮中心,接着又被抛起。这种上升运动与切向运动的结合,使物料实际上处于连续的螺旋状上、下运动状态。
  由于转轮速度很高,物料运动速度也很快。快速运动着的颗粒之间相互碰撞、摩擦,使得团块破碎,物料温度相应升高,同时迅速地进行交叉混合。这些作用促进了物料的分散和对液体添加剂(如表面改性剂)的均匀吸附。
  混合室内的折流板进一步搅乱物料流态,使物料形成无规运动,并在折流板附近形成很强的涡流。对于高位安装的叶轮,物料在叶轮上下形成了连续交叉流动,使混合更快、更均匀。混合结束后,夹套内通冷却介质,冷却后物料在叶轮作用下由排料口排出。
  适用范围:高速加热混合机是一种间歇式的批量粉体表面改性设备,处理时间可长可短,适合中、小批量粉体的表面化学包覆改性和实验室进行改性剂配方试验研究。
 
3、超细粉碎与表面改性一体化工艺与设备
 
  近年来,国内专家学者在表面改性工艺,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”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,但目前产品细度只能达到D97=15mm左右,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。
  在重质碳酸钙、水镁石等湿法超细研磨过程中进行表面改性已实现了产业化,如在水镁石湿式超细研磨生产超细氢氧化镁中添加表面改性剂,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,在原级粒子生成、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。
  一种气流湍流颗粒表面改性处理工艺与装备: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悬浮态,然后通过雾化器将改性剂雾化喷入呈悬浮分散状态的系统中,经过充分碰撞与混合,使改性剂包覆于颗粒表面,完成粉体的表面改性处理。

四、表面改性效果评价方法

  在实际生产过程中,正确评价表面改性效果,对及时调整改性剂、工艺与设备参数至关重要。目前,碳酸钙、滑石、石英粉、高岭土、重晶石、硅灰石等无机粉体表面改性效果或改性产品的表征方法大体上可分为直接法和间接法。
  直接法是通过测定表面改性或处理后粉体的表面物理化学性质,如表面润湿性、表面能、表面电性、在极性或非极性介质中的分散性、光学和吸波性能、表面改性剂的作用类型(吸附和化学反应类型)、包覆量、表面结构、形貌和表面化学组成等来表征表面改性的效果。
  间接法是通过测定表面改性后粉体在确定的应用领域中的应用性能,如填充高聚物基复合材料的力学性能、电性能,涂料和涂层材料的光、电、热、化学性能等来表征粉体表面改性效果和表面改性产品的质量。
  由于粉体表面改性的目的性或专业性很强,因此,间接法对于粉体表面改性效果的评价非常重要。

1、润湿接触角

  润湿接触角是润湿性的主要判据。固体物料在水中的润湿接触角越大,疏水性就越好。因此,如用有机表面改性剂对无机填料进行表面改性,则改性剂在表面包覆越完全(包覆率越大),无机填料在水中的润湿接触角越大;润湿接触角越大,无机填料的表面能就越低。

 

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▲接触角

 
  测定润湿角的方法很多,如角度测量法、长度测量法、毛细管浸透速度法等。由于接触角难以准确测定,也可采用一些简便方法来测定试样的疏水性或润湿性。
  例如:测定粉体的透水速度,具体做法是:将未改性和改性后的试样在精密压力机上压制成块,然后在每块试样上滴加相同量的蒸馏水,测定浸透时间。一般来说,经有机物表面改性后的试样的透水速度大大低于未改性的试样。因此,透水速度可作为试样改性效果的相对评价指标。
  还可通过试样在极性溶剂(如水)和非极性溶剂(如煤油、石蜡、苯等)中的分散性来相对比较表面改性结果。因为无机粉体经有机表面改性剂包覆后一般在水中分散变差,而在苯、煤油、石蜡中的分散性变好。

2、活化指数

  对于旨在提高无机填料或颜料与高聚物基料相容性或表面疏水性的表面改性,可采用“活化指数”来检测和表征表面改性的效果。
  无机填料或颜料粉体一般相对密度较大,而且表面呈极性状态,在水中自然沉降。而有机表面改性是非水溶性的表面活性剂或偶联剂,因此,经表面改性处理后的无机粉体(颜料或填料),表面由极性变为非极性,对水呈现出较强的非浸润性。这种非浸润性的细小颗粒,在水中由于巨大的表面张力,使其如同油膜一样漂浮不沉。根据这一现象,提出“活化指数”的概念:

 

活化指数=样品中飘浮部分的质量(g)/样品总质量(g)


  未经表面活化(即改性)处理的无机粉体,活化指数=0;活化处理最彻底时,活化指数=1.0。
  在无机填料或颜料的有机表面改性工艺中,表面改性剂的品种和用量对填充体系的性能有显著影响。表面改性剂的用量可参考“活化指数”来确定。
  所谓最佳用量,即表面改性剂在填料或颜料颗粒表面上,覆盖单分子层的用量,大于此用量,则将形成多层物理吸附的界面薄弱层,从而引起填充物的强度下降;低于最佳用量,则填料颗粒表面处理不完全,即是表面改性剂在无机填料或颜料表面形成单分子覆盖层的用量,可作为表面改性剂的最佳用量。但是实际处理中,应略低于该用量。
  应当指出,活化指数不能作为粉体表面改性产品的唯一质量指标。一方面,用不同的表面改性剂改性后,活化指数可能不同,但决不意味着活化指数越高,表面改性效果就越好,应该结合其他指标,如吸附类型(化学吸附还是物理吸附)、与高聚物基料的作用以及应用性能指标来综合考虑。

3、吸油值
 
  表面改性是降低粉体吸油值的重要手段,在实际应用中,大多数填料都用吸油值这项指标来大致预测填料对树脂的需求量,即吸油值对选择填料具有重要的指导意义。
  吸油值也称树脂吸附量,表示填充剂对树脂吸收量的一种指数。吸油值通常以100g样品所需亚麻油的质量表示(%或mL/100g)。即指每100g样品,在达到完全润湿时需要用油的最低用量。
 
4、溶液中的分散稳定性
 
  无机粉体表面改性的目的之一是提高其在无机相或有机相中的分散性。因此,测定表面改性后粉体在相应分散介质或分散相中的分散稳定性可以表征和评价粉体表面改性的效果。
  一定浓度的粉体颗粒在悬浮液中的分散稳定性可以通过将颗粒分散、静置后测定一定位置浊度、密度、沉降量等随时间的变化来表征。浊度可以采用浊度计来测定,密度可采用密度(比重)计来测定,沉降量则可以通过沉降天平来测定。一般来说浊度、密度、沉降量等随时间的变化越缓慢,则粉体在溶液中的分散稳定性越好。
  也可以通过直接测定悬浮液中固体颗粒的沉降时间来表征和评价粉体在溶液中的分散稳定性。沉降时间与颗粒的分散稳定性有对应关系,一般来说,分散性越好,沉降速度越慢,沉降时间也就越长。因此,沉降时间可用来相对比较或评价粉体的表面改性效果。
  沉降时间的测定方法是,先取一定量改性后的粉料配置成一定浓度的悬浮液,然后将此悬浮液移入带有一定刻度的沉降管,记录悬浮液中颗粒沉降到指定刻度的时间。采用水作为分散介质时,测定的是粉体在水溶液或极性介质中的分散稳定性;采用煤油、液体石蜡等非极性溶剂作为分散介质时,测定的是粉体在非极性介质中的分散稳定性。
  这种表征方法特别适用于涂料中应用的填料和颜料的表面改性效果的评价,无机填料和颜料在相应分散相中的分散稳定性对涂料的性能有重要影响。
 
5、吸附类型、包覆量与包覆率
 
  在粉体表面改性的研究和产生中,不仅需要确定表面改性剂(如偶联剂)与填料或颜料表面的作用类型,同时还需要定量地测定表面改性剂在粉体表面的包覆率或包覆量,以解决诸如确定表面改性剂的最佳用量、选择最佳包覆条件以及验证计算表面改性剂用量的数学模型等问题。
  因此,吸附类型、包覆量与包覆率的测试分析对于粉体表面改性的研究和生产的控制以及相关领域,如高聚物基复合材料的研究开发具有重要意义。
 
(1)吸附类型
 
  吸附类型可分为物理吸附和化学吸附。在粉体颗粒表面化学吸附的表面改性剂分子比物理吸附牢固,在强烈搅拌或与其他组分混合或复合时不容易脱附。测定吸附类型不仅可以了解表面改性剂分子与粉体颗粒之间作用的强弱,而且还有助于研究表面改性剂与无机颗粒之间的作用机理。
  吸附类型可通过脂肪提取器(带电动搅拌和回流冷凝装置的三口烧瓶)或热水洗涤来测定。脂肪提取器的方法和测定过程如下:将改性后的粉体样品加入盛有一定量甲苯溶剂的三口烧瓶中,加热至沸腾状态回流搅拌,抽滤,充分洗涤,然后在120℃下干燥至恒重,以物理吸附方式覆盖于颗粒表面的表面改性剂分子为甲苯所提取,得到已除去表面物理吸附的表面改性粉体。因此,甲苯提取量反映了呈物理吸附的表面改性剂的数量。在一定时间内,甲苯提取量越大,说明物理吸附越多,在吸附表面所占比例越大。
 
(2)包覆量与包覆率
 
  包覆量是指一定质量粉体表面所吸附的表面改性剂的质量,可用“%”表示,也用“mg/g”或“g/kg”来表示。
  红外光谱分析,尤其是漫反射红外傅里叶转换光谱法可用于定量测定粉体表面改性剂的包覆或吸附量。
  包覆率定义为表面改性剂分子在粉体(颗粒)表面的覆盖面积占粉体(颗粒)总表面积的百分比。设表面改性剂分子在粉体表面单层包覆,一般来说,可以根据包覆量和表面改性剂分子的断面积来计算表面包覆率。即:

 

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▲包覆量与包覆率

 
  对于在一定温度下易于烧失或分解的有机表面改性剂,如硬脂酸等,可用热解重量分析法来测定表面改性剂在无机粉体表面的包覆量和包覆率。测定仪器为各种热分析仪或热天平。测定过程比较简单,即先测定包覆了表面改性剂的粉体在分解温度下的失重,根据原样重量和烧失完全(有机表面改性剂完全分解)后的样品重量计算单位质量样品的包覆量,在已知或测得粉体的比表面积后再计算表面改性剂在样品表面的包覆率。还可采用X射线光电子能谱等方法来测定表面包覆量,然后计算包覆率。
  对于无机表面改性剂,可采用化学分析方法测定粉体表面的包覆量。
 
6、粒度分布与颗粒形貌
 
  粉体表面改性后粒度大小和分布的变化,能够反映表面改性过程粒子是否发生了团聚,特别是是否发生了硬团聚。表面改性过程中要尽量避免粒子的团聚,特别是硬团聚,因为团聚将会影响表面改性后的粉体的应用性能。
  对于湿法改性后再进行干燥的工艺,粒度大小和分布是表征和评价表面改性效果的重要指标之一,也是比较表面改性工艺和配方优劣的重要手段之一。
  观察颗粒形貌主要采用扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)及光学显微镜。高倍和高分辨率电镜可以直观反映粉体表面包覆层的形貌,对于评价粉体表面改性的效果有一定价值。这些用于观察颗粒形貌的仪器同时还可以进行粒度分析。
  需要指出的是,由于各种粒度测定仪器、方法的物理基础不同,相同样品用不同的测定方法和测定仪器所测得的粒度的物理意义及粒度大小和粒度分布也不尽相同。因此,在用粒度大小和粒度来表征和评价粉体表面改性的效果时,一定要注意采用相同的方法和同一台仪器。
 
7、表面结构和成分
 
  表面分析常用的试验方法主要是一些能谱方法和基于量子力学效应的显微技术。这些能谱按其物理过程可分为电子能谱、离子能谱、光谱、声子谱、热脱附(原子)谱等。
  研究表面结构、原子位型、化学键特性(如果有吸附物,则研究吸附物在表面的位置、构型、结合强度等)的方法主要有:低能电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、X射线光电子谱、离子中和谱、电子能量损失谱、红外光声谱、非弹性电子隧道谱等。
  研究表面组分的方法主要有:俄歇电子能谱、出现电势谱、核磁共振等。
  对于用无机表面改性剂进行的表面包覆改性,还可以采用化学分析方法检测表面改性后粉体的表面化学成分。
 
8、其他方法
 
  针对粉体表面改性的其他目的,如赋予粉体表面电、热、阻燃、抗菌、吸波、吸附等功能或性能,还可采取相应的性能检测、表征与评价方法。例如:
  用于电缆绝缘填料的锻烧高岭土,检测其表面处理后的体积电阻率;
  用于填充阻燃的氢氧化铝、氢氧化镁、水镁石粉等阻燃填料,检测其表面改性后的氧指数;
  用做颜料的云母基氧化钛颜料,即珠光云母,检测其二氧化钛包覆改性后的折光指数;
  用于抗菌目的的纳米氧化锌,检测其表面改性后的抗菌性能;
  用于化妆品的无机粉体,检测其改性后的紫外吸收功能;
  用于环保和生物化学目的的硅藻土、沸石等,检测其表面改性后的吸附性能;
  用于吸波涂层材料的超微或纳米复合粉体,检测其改性复合后的吸波性能;
  用于提高无机颜料在水溶液中分散稳定性的颜料的表面改性,检测其表面改性后表面电位的变化;
  用做涂料颜料的二氧化钛,检测其用二氧化硅和三氧化二铝表面包覆改性后的耐候性和化学稳定性。
 
五、粉体表面改性技术的发展趋势
 
  无机粉体表面改性是因应现代高技术、新材料产业,特别是功能材料产业发展而兴起的新技术,适应现代社会环保、节能、安全、健康的需求。
  无机粉体表面改性产品是最具发展前景的功能粉体材料,预计未来10年市场需求量将以平均8%-10%左右的速度增长。
  未来粉体表面改性技术的主要发展趋势将是:
  (1)发展适用性广、分散性能好、粉体与表面改性剂的作用机会均等、表面改性剂包覆均匀、改性温度和停留时间可调、单位产品能耗和磨耗较低、无粉尘污染的先进工艺与装备集成;并在此基础上采用先进的人工智能技术对主要工艺参数和改性剂用量进行在线自动调控,以实现表面改性剂在颗粒表面的单分子层吸附、稳定产品质量和方便操作。
  (2)在现有表面改性剂的基础上、采用先进技术降低生产成本,尤其是各种偶联剂的成本;同时采用先进化学、高分子、生化和化工科学技术和计算机技术,研发应用性能好、成本低、在某些应用领域有专门性能或特殊功能并能与粉体表面和基质材料形成牢固结合的新型表面改性剂。
  (3)在多学科综合的基础上,根据目的材料的性能要求“设计”粉体表面;运用现代科学技术,特别是采用先进计算技术及智能技术辅助设计粉体表面改性工艺和改性剂配方,以减少实验室工艺和配方试验工作量和提高表面改性工艺和改性剂配方的科学性和实用性。
  (4)科学规范表面改性产品的直接表征和测试方法;应用已有的相关国家或行业标准根据表面改性的目的和用途建立评价指标、评价标准和评价方法。
 
来源:影响粉体表面改性效果的主要因素,作者:郑水林;非金属矿加工技术与应用手册,主编:郑水林,袁继祖;非金属矿粉体改性及其效果评价,作者:钱海燕等;中国粉体表面改性设备的进展,作者:刘伯元;粉体表面改性,作者:郑水林,王彩丽
编辑整理:粉体技术网

 

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