無機粉體表面改性技術(shù)探討

張仕奇　趙佳龍　魏鑫

摘 要：對無機粉體的改性方法進(jìn)行了介紹，探討了無機粉體表面改性技術(shù)進(jìn)展，并對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無機粉體；表面改性；技術(shù)

1 無機粉體表面改性方法介紹

在工業(yè)中常用的無機粉體表面改性方面包括表面有機包覆、沉淀反應(yīng)包覆、機械力化學(xué)、插層改性及復(fù)合法等，下面對這些方法進(jìn)行簡單的介紹。

表面有機包覆改性是目前最常用的無機粉體表面改性方法，它利用有機表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對顆粒表面進(jìn)行改性。所用表面改性劑主要有偶聯(lián)劑（硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機絡(luò)合物、磷酸酯等）、高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、硅油或硅樹脂、有機低聚物及不飽和有機酸、水溶性高分子等。

沉淀反應(yīng)包覆是利用化學(xué)沉淀反應(yīng)將表面改性物沉淀包覆在被改性顆粒的表面，是一種“無機/無機包覆”或“無機納米/微米粉體包覆”的粉體表面改性方法。粉體表面包覆納米TiO2、ZnO、CaCO3等無機物的改性，就是通過沉淀反應(yīng)實現(xiàn)的，如云母粉表面包覆TiO2制備珠光云母；鈦白粉表面包覆SiO2和A12O3，以及硅藻土和煅燒高嶺土表面包覆納米TiO2和ZnO；硅灰石粉體表面包覆納米碳酸鈣和納米硅酸鋁。

機械力化學(xué)改性是利用粉體超細(xì)粉碎及其他強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面無定形化，增強它與有機物或其他無機物的反應(yīng)活性。以機械力化學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機械融合技術(shù)，是一種對無機顆粒進(jìn)行復(fù)合處理或表面改性（如表面復(fù)合、包覆、分散）的方法。

插層改性是指利用層狀結(jié)構(gòu)的粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱（如分子鍵或范德華鍵）或存在可交換陽離子等特性，通過離子交換反應(yīng)或特性吸附改變粉體性質(zhì)的方法。用于插層改性的粉體通常具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。

復(fù)合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學(xué)和機械方法等）改變顆粒的表面性質(zhì)以滿足應(yīng)用需要的改性方法。目前應(yīng)用的復(fù)合改性方法主要有有機物理/化學(xué)包覆、機械力化學(xué)/有機包覆、無機沉淀反應(yīng)/有機包覆等。

2無機粉體表面改性技術(shù)進(jìn)展

2.1表面改性劑及其配方

表面改性劑近幾年取得的主要進(jìn)展為：

1）硅烷偶聯(lián)劑。產(chǎn)品開發(fā)速度加快，產(chǎn)品品種、質(zhì)量明顯提高，生產(chǎn)能力不僅能滿足中國國內(nèi)所需，還出口海外市場。

2）鋁酸酯偶聯(lián)劑。繼膏狀產(chǎn)品之后，相繼開發(fā)了液態(tài)、水溶性產(chǎn)品和兼具助磨和改性作用的新產(chǎn)品；應(yīng)用范圍擴(kuò)大，使用更加方便。

3）鈦酸酯偶聯(lián)劑。品種增多，開發(fā)了水溶性產(chǎn)品以及針對特定用途的專用分散改性劑和復(fù)合改性劑，如用于船舶漆填料和顏料的專用改性劑、無機納米粉體分散與抗團(tuán)聚改性劑等。

此外，還有專用于超細(xì)沉淀碳酸鈣和納米碳酸鈣表面改性的表面活性劑二磷酸酯鹽等。

2.2層狀硅酸鹽礦物粉體的插層改性

層狀硅酸鹽礦物粉體的插層改性是研究最為活躍的表面改性領(lǐng)域之一。早在20世紀(jì)70年代左右就有“有機膨潤土”這類有機季銨鹽類插層改性的產(chǎn)品問世，近10 a來隨著研究日趨廣泛和深入，除了有機膨潤土產(chǎn)品品種和生產(chǎn)技術(shù)不斷改進(jìn)之外，聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料、膨潤土或蒙脫石的無機柱撐或交聯(lián)等的研究和產(chǎn)業(yè)化也取得了顯著進(jìn)展。特別是聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，對新型聚合物/黏土納米復(fù)合材料的發(fā)展有重要推動作用；此外，高嶺土插層納米復(fù)合材料、蛭石插層改性等層狀硅酸鹽礦物的插層改性技術(shù)研發(fā)也取得一些有價值的進(jìn)展。

2.3表面無機復(fù)合改性

粉體的表面無機復(fù)合改性是制備功能粉體材料的重要方法，近年來已成為粉體表面改性技術(shù)和功能材料制備技術(shù)的熱點研發(fā)方向之一。目前取得的主要進(jìn)展是納米金屬或氧化物、氫氧化物、碳酸鹽表面改性的復(fù)合礦物粉體材料，如金屬/粉煤灰空心微珠復(fù)合粉體、金屬氧化物/硅灰石復(fù)合粉體、納米TiO2/多孔礦物復(fù)合粉體（TiO2/硅藻土、TiO2/蛋白土、TiO2/凹凸棒石等）、金屬氧化物/重晶石復(fù)合粉體、金屬氧化物/云母復(fù)合粉體等。表面無機復(fù)合改性方法主要有物理法（如氣相沉積、真空或濺射鍍膜、機械研磨）和化學(xué)法（如均勻沉淀、溶膠凝膠）等，其中一些復(fù)合粉體材料已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化或已進(jìn)行中試。表面無機復(fù)合改性涉及應(yīng)用廣泛的新型功能材料的開發(fā)，具有重要的商業(yè)化價值。采用磁控濺射技術(shù)在粉煤灰微珠表面鍍鎳、銅、銀等金屬膜可使粉煤灰中玻璃微珠的應(yīng)用價值顯著提高，在航空航天材料領(lǐng)域及其他新材料領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景

3 粉體表面改性技術(shù)的發(fā)展趨勢

無機粉體表面改性是應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)、新材料產(chǎn)業(yè)，特別是功能材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展而興起的新技術(shù)，適應(yīng)現(xiàn)代社會環(huán)保、節(jié)能、安全、健康的需求。無機粉體表面改性產(chǎn)品是最具發(fā)展前景的功能粉體材料，預(yù)計未來10 a市場需求量將以平均每年8% ～10% 的速度增長。在上述背景下，筆者認(rèn)為未來粉體表面改性技術(shù)的主要發(fā)展趨勢為：

1）發(fā)展適用性廣、分散性能好、粉體與表面改性劑的作用機會均等、表面改性劑包覆均勻、改性溫度和停留時間可調(diào)、單位產(chǎn)品能耗和磨耗較低、無粉塵污染的先進(jìn)工藝與裝備集成，并在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)對主要工藝參數(shù)和改性劑用量進(jìn)行在線自動調(diào)控，以實現(xiàn)表面改性劑在顆粒表面的單分子層吸附、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和方便操作。

2）在現(xiàn)有表面改性劑的基礎(chǔ)上、采用先進(jìn)技術(shù)降低生產(chǎn)成本，尤其是各種偶聯(lián)劑的成本；同時采用先進(jìn)化學(xué)、高分子、生化和化工科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)，研發(fā)應(yīng)用性能好、成本低、在某些應(yīng)用領(lǐng)域有專門性能或特殊功能，并能與粉體表面和基質(zhì)材料形成牢固結(jié)合的新型表面改性劑。

3）在多學(xué)科綜合的基礎(chǔ)上，根據(jù)目的材料的性能要求“設(shè)計”粉體表面；運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是采用先進(jìn)計算技術(shù)及智能技術(shù)輔助設(shè)計粉體表面改性工藝和改性劑配方，以減少實驗室工藝和配方試驗工作量，提高表面改性工藝和改性劑配方的科學(xué)性和實用性。

4）表面產(chǎn)品的直接表征和測試方法將更加的科學(xué)和規(guī)范，在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，按照表面改性的目的和用途等，建立評價的指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和方法。

參考文獻(xiàn)：

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