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无机纳米粉体表面改性研究进展

无机纳米粉体表面改性研究进展
无机纳米粉体表面改性研究进展

摘要: 由于纳米粒子易团聚, 对其进行表面改性是很必要的。本文综述了纳米粒子表面改性的主要方法, 介绍了国内外表面改性的一些实例, 并对纳米粒子表面改性的一些新发展和应用前景作了说明。

关键词: 纳米粉体; 团聚; 表面改性;表征

Abstract:Accumulation is one of the most important problems to be resolved in the application of nanosize power.Surface modification can efficiently resolve this problem.In this aricle,the author discuss the cause of the accumulation,the way of surface medication and the manifestion of surface modification.

Key words: nanosizes power, accumulation, surface modification,

manifetation

1、引言

物质经微纳米化后, 尤其是处于纳米状态时, 其尺寸介于原子、分子与块状材料之间, 故有人称之为物质的第四状态。由于纳米粒子具有大比表面积, 随着粒子半径的减小, 其表面能和表面张力都急剧增大,此外还具有小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应, 因而纳米材料具有独特的力学、光、热、电、磁、吸附、气敏等性质, 在传统材料中加入纳米粉体将大大改善其性能或带来意想不到的性质。

目前, 纳米材料在信息、能源、环境和生物技术等高科技产业中的应用已取得了初步成果。但是在应用过程中, 由于纳米粒子粒径小, 表面活性高, 使其易发生团聚而形成尺寸较大的团聚体[1], 严重地阻碍了纳米粉体的应用和相应的纳米材料的制备。

2、纳米粒子的团聚

所谓纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。

从热力学上, 纳米粒子的分散体系具有巨大的比表面积, 表面能很大, 系统会自动朝着表面积减小的方向变化, 导致纳米粒子发生团聚。粉末的团聚分为软团聚和硬团聚。软团聚主要是由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致, 该团聚可通过施加机械能能消除粉末的硬团聚体内除了颗粒之间的范德华力和库仑力之外, 还存在化学键作用, 目前人们对粉末的硬团聚机理存在不同的看法, 其中最有代表性的是晶桥理论、毛细管吸附理论、氢键作用理论和化学键作用理论[2]。

图1 纳米粒子的团聚机理示意图

Fig1 agglomeration mechanism schematic diagram of nano2particles

为了解决纳米粉体的团聚问题以及改善粉体粒子表面活性,就需要对粉体粒子进行表面改性。

3、纳米粉体的表面改性

要使纳米粒子分散, 就必须增强纳米粒子间的排斥作用能: ( 1)强化纳米粒子表面对分散

介质的润湿性, 改变其界面结构, 提高溶剂化膜的强度和厚度, 增强溶剂化排斥作用; ( 2)增大纳米粒子表面双电层的电位绝对值, 增强纳米粒子间的静电排斥作用; ( 3)通过高分

子分散剂在纳米粒子表面的吸附, 产生并强化立体保护作用。

表面改性是指通过采用表面添加剂的方法, 使粒子表面发生化学反应和物理作用, 从而改变粒子表面状态, 如表面原子层结构和官能团、表面疏水性、电性、化学吸附和反应特性等。通过表面改性, 可提高粉体的分散性、耐久性、耐候性, 提高表面活性, 从而使粒子表面产生新的物理、化学、光学特性, 适用不同的应用要求, 拓宽其应用领域,并显著提高材料的附加值。

纳米粉体表面改性的方法很多,主要有包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学改性、机械化学改性、高能处理改性、胶囊化改性、微乳化改性等等。

3.1 包覆处理改性

包覆处理改性是一种最早使用的传统改性方法。包覆,也称涂覆和涂层。是利用无机物或有机物,主要表面活性剂,水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等粉体表面进行包覆以达到改性的方法[3-4]。如包括利用吸附、附着及简单化学反应或沉淀现象进行包膜。包覆处理改性是对矿物粉体进行简单改性处理的一种常见方法。

3.2 沉淀反应改性

利用化学反应并将其生成物沉淀在被改性粉体的表面, 使形成一层或多层“改性层”的方法, 以改变纳米粉体材料的表面特性, 使其达到所需的使用要求, 这是湿法改性的主要方法, 称为沉淀反应改性方法。

3.3表面化学改性

表面化学改性指通过纳米粒子表面与处理剂之间进行化学反应或化学吸附, 改变纳米粒子表面的结构和状态, 达到表面改性的目的的方法[5]。表面化学改性法在纳米粒子表面改性中占有极其重要的地位, 是目前最常用的表面改性方法, 主要有酯化反应法、表面活性剂法、偶联剂法、表面接枝反应法等。

A.酯化反应法

金属氧化物与醇的反应称为酯化反应, 利用酯化反应对纳米粒子表面改性最重要的是使原来亲水疏油的表面变为亲油疏水的表面, 这种表面功能的改性在实际应用中十分重要。

朱磊等[6]用油酸修饰纳米ZnO, 油酸是一种具有一个末端羧基和十八碳且无支链的长链, 其羧基和纳米氧化锌表面的氧空位上的羟基发生酯化反应形成单分子膜, 属于共价键结合. 而未结合羟基的空位, 即相对应4s2 电子未成键的锌原子, 夺取油酸游离的质子, 进而再由氢键与油酸根结合。因而纳米氧化锌充分与有机介质接

触, 能更好地分散在有机溶剂里,并能阻挡纳米ZnO 的团聚。

酯化反应中采用伯醇最有效,仲醇次之,叔醇无效。该法对表面为弱酸性和中性的纳米粒子最有效, 例如: S iO2、Fe2O3、T iO2、A l2O3、ZnO等。此外,碳纳米粒子也可用酯化法进行表面改性。

B.偶联剂改性

纳米粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。偶联剂分子必须具备两种基团,一种与无机物表面能进行化学反应,另一种(有机官能团)与有机物具有反应性或相容性。常见的偶联剂有

硅烷偶联剂、钛酯酸偶联剂等。偶联剂都可用一个通式来表示:

R —A —X

A 通常是硅原子、钛原子或铝原子等;X 是某些易水解的基团,比如卤素、烷氧基、丙烯酞

基等,这些基团与粒子表面的某些基团发生作用,在粒子表面化学成键;X 为有机基团,可以是甲基、乙烯基等,与聚合物分子有很强的亲和力和反应能力。蒋红梅等[7]用钛酯酸偶联剂对纳米M gO 进行表面改性,表面改性后的纳米氧化镁粒子表面呈疏水性,在有机溶剂中分散性变好,降低了其团聚程度。刘卫平等用硅烷、钛酯酸偶联剂对氧化锌晶须进行表面改性,取得了良好的效果。

C.偶联剂改性

表面接枝聚合是通过化学反应将高分子材料连接到无机粒子的表面。一些无机粒子(如SiO2、TiO2、Al2O3、炭黑)表面所存在的大量的羟基或不饱和键, 可以直接用来接枝聚合物, 或者利用羟基进一步反应, 在引入各类官能团之后再进行接枝。在纳米粒子表面接枝聚合物分子比用表面活性剂或者偶联剂具有更大的优势, 不但提高了纳米粒子的分散稳定性, 还可以增强纳米粒子与树脂基体的相容性。通过选择合适的接枝单体和接枝条件, 聚合物接枝粒子将具有可调节的性能。表面接枝改性法可分为3种,( 1)聚合与表面接枝同步进行法, 即颗粒表面的接枝反应;( 2)偶接枝法, 即与纳米粒子表面接枝反应;( 3)纳米粒子表面聚合生长接枝法。

沈新璋等[8]用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷处理纳米SiO2 表面, 在粒子表面引入可聚合的碳碳双键, 然后以甲基丙烯酸为单体, 在其表面进行原位聚合反应,得到了表面改性的纳米SiO2。改性后的纳米SiO2几乎完全分散于有机相,其表面上水的接触角为105°,结果显示改性后的纳米SiO2 具有极强的亲油性。

3.4 表面物理改性

表面物理改性一般是指不用表面改性剂而对微纳米粉体实施表面改性的方法, 包括电磁波、中子流、α粒子、β粒子等的辐射处理以及超声处理、等离子处理、热处理、电化学处理等高能处理改性。

通过电晕, 紫外光, 等离子体放射线、微波等高能粒子作用, 在纳米粒子表面产生活性点, 增加表面活性, 容易与其它物质发生化学反应或吸附, 对纳米粒子表面改性进而达到易分散的目的。高能量法表面改性般作为激发手段用于聚烯烃在粉体表面的接枝改性,要用在纤维方面。

吴春蕾等[9]分别用苯乙烯和丙烯酸乙酯对纳米SiO2进行高能辐照接枝聚合改性, 然后与聚丙烯共混制备SiO2 / PP复合材料, 研究表明接枝改性的纳米SiO2对PP有较好的增强增韧效果, 拉伸断面观察显示, 复合材料韧性的提高主要由基体剪切屈服所致。对断面上个别较大团聚体分析发现,经辐照接枝聚合改性的纳米粒子团聚体的结构变得更加紧凑、结实, 且随粒子表面聚合物的性质不同, 团聚体与基体树脂的界面粘结也随之不同, 导致其拉伸破坏形状有所差异, 但与基体树脂的界面粘结都得到较好的改善。刘安华等人[10]利用紫外线辐照射法在炭黑表面接枝聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等聚合物, 显著改善了炭黑在介质中的分散性。

4、超分散剂

超分散剂是一类新型高效的聚合物型分散助剂,克服了传统分散剂在分子结构上的局限性,在水系及非水体系介质中具有良好的分散效果。它能够快速而充分的润湿颗粒、提高分散体系的固含量、分散均匀、稳定性好,广泛应用于涂料、颜料、油墨、填充塑料、陶瓷、磁粉、生物材料、药品等的分散。

超分散剂是一类高效的聚合物型分散助剂,目前已在国外油漆与油墨行业中获得广泛应用。超分散剂的分子结构分为两个部分: 一部分为锚固基团, 可紧紧吸附在颜料颗粒表面, 防止超分散剂脱附; 另一部分为溶剂化链, 它与分散介质具有良好的相溶性, 能在颜料表面形成足够厚度的保护层。当吸附有超分散剂的颜料粒子相互靠近时, 由于保护层之间的相互作用而使颗粒弹开, 从而实现颜料粒子在油墨与油漆介质中的稳定分散, 见图2。

图2 超分散剂作用机理示意图

超分散剂克服了传统分散剂在非水分散体系中的局限性。与传统分散剂相比,有以下特点:(1)在颗粒表面形成多点锚固,提高了吸附牢度,不易解吸;

(2)溶剂化链比传统分散剂亲油基团长,可起到有效的空间稳定左右;

(3)形成极弱的胶囊,易于活动,能迅速移向颗粒表面,起到润湿保护作用;

(4)不会在颗粒表面导入亲油膜,从而不致影响最终产品的应用性能。

4、纳米粉体表面改性效果的表征

目前, 对纳米粉体表面改性效果的检测还没有普遍的方法,根据纳米粉体表面改性的目的不同, 通过应用效果对比做出直接的评价。

(1)接触角的测定[11]

液体在固体表面润湿性的程度通常用接触角的大小来判断, 接触角越大说明固体对液体的润湿性越小。纳米粉体经过表面改性后, 通过测量其与介质的接触角, 评价其与介质的润湿性好坏, 即反映其亲水、亲油的程度。

(2)红外光讲的测试

用红外光谱检测表面改性前后的纳米粉体, 对比可知改性后是否有新键产生, 从而对表面改性机理做出探讨。

(3)电镜测试

通过扫描隧道显微镜、透射电子显微镜可以直观观察改性效果, 对比分散程度。

(4)粘度法

由于较高固体含量固液悬浮体的粘度与颗粒表面和液体的亲和作用相关, 所以可以根据纳米粉体与液态介质形成的悬浮液的粘度大小来判别改性效果的好坏。同一温度下, 如果固液亲和作用强, 粘度就低, 表明纳米粉体表面改性效果就好。反之, 则表明改性效果差。(5)比表面积法

由于纳米粉体经过表面改性后, 改性剂占据了粉末表面的微孔, 从而导致了比表面积下降。而且对同一种纳米粉体来说改性效果越好, 比表面积下降越多。

(6)沉降性测定[12]

将一定量的纳米粉体置于刻度试管中, 加入一定体积的蒸馏水, 振荡, 静置一定时间后, 读取试管内沉降粉体的体积, 通过沉降体积的大小可知改性效果的好坏。沉降体积越小, 改性效果越好。

5、结束语

从纳米粉体的制备到应用, 首先要解决的是纳米粉体的分散和表面改性问题。只有处理好这些问题, 纳米粉体材料才能发挥巨大的功能。目前, 纳米粉体表面改性的方法很多, 但

能从根本上解决问题的方法很少, 需进一步研究。纳米粉体表面改性是一门新兴的学科,

纳米粉体许多与表面有关的新现象和问题迫切需要新的理论依据。表面改性机理的研究、

改性方法及设备、改性效果的表征有待于进一步完善。纳米改性已成为纳米材料研究和开

发中一个极其重要的课题, 被视为未来产生新材料的重要手段, 因而对其进行深入细致的

研究必将有良好的前景。

参考文献:

[1] Ren J, Lu S Yu C Research on the composite dispersion o f ultra fine powder in the air .Materials Chemistry and Physics, 2001

[2] 高滚,孙静等纳米粉体的分散及表面改性北京:化学工业出版社,2003

[3] 刘波,庄志强,刘勇.粉体表面修饰与表面包覆方法的研究.2007

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interface by use of main certain polymer.Polymer Engineering

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[6] 朱磊,江红,王滨等,纳米氧化锌的表面修饰及其机理的研究无机材料学

报, 2007

[7] 蒋红梅,郭人民.一种纳米氧化镁表面改性的研究.无机盐工

业,2005

[8] 沈新璋,金名惠甲基丙烯酸对纳米SiO2粒子表面的原位聚合改性应用化

学, 2009

[9] 吴春蕾, 等. 纳米S iO2 表面接枝聚合改性及其聚丙烯基复合材料的力学

性能复合材料学报,2008

[10] 刘安华, 刘长生接枝共聚物改性炭黑的分散性涂料工业, 1997

[11] 陈忠伟等,抗紫外纳米粉体的表面改性与脂肪酸改性机理的探讨化学世界,2009

[12] 严玉蓉, 等超微细表面改性及共混体系流变性能,中国塑料,2009

纳米二氧化硅表面改性研究

文章编号:1003 1545(2011)02 0018 04 纳米二氧化硅表面改性研究 李金玲,王宝辉,李 莉,张钢强,盖翠萍,杨雪凤,邵丽英,隋 欣 (东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆 163318) 摘 要:采用甲苯二异氰酸酯(TD I)接枝聚乙二醇(PEG )对纳米Si O 2进行表面改性,并利用红外光谱(FT I R )和热重(TG )、扫描电镜(SE M )、粒径分析、重力沉降法等方法对改性前后的纳米Si O 2的表面形貌和在介质中的分散稳定性进行了表征和分析。结果表明,改性后的纳米S i O 2表面接枝上了TD I 、PEG 的有机官能团,降低了颗粒的团聚程度,提高了纳米S i O 2在介质中的分散性。当n (TD I):n (PEG )=1:0 8时,分散性最好,接枝率为54 03%。 关键词:纳米S i O 2;表面改性;分散性中图分类号:TQ127.2 文献标识码:A 收稿日期:2010-10-12 基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(11531009) 作者简介:李金玲,1984年生,女,在读硕士研究生,主要从事纳米改性水性聚氨酯的研究。E -m a i:l dqp ilj@l 163.co m 纳米二氧化硅是目前世界上大规模工业化 生产的产量最高的一种纳米粉体材料[1] 。特殊的微粒表面层结构和电子能级结构产生了普通粒子所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应,导致了其在热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子[2] 。但这些特殊效应同时赋予了纳米S i O 2表层大量羟基,导致羟基间的范德华力、氢键的产生,使粉体间的排斥力变为吸引力,热力学状态不稳定,极易发生凝并、团聚,在介质中难以分散,难以与基料很好结合,纳米粒子的优异特性 得不到充分发挥[3] 。因此要维持纳米粉体的特异性能,拓展其在生物、医药、化工、材料、电子、机械、能源、国防及交叉学科等领域的应用范围,有必要对纳米粉体进行表面改性。 纳米粉体表面改性方法有酯化反应法、偶联剂法、表面活性剂法、接枝聚合物法、高能法等[4] 。本文采用PEG2000、TDI 对纳米二氧化硅进行接枝改性,通过FT I R 、SE M 、TG 、粒度分析、沉降实验等对改性前后的纳米S i O 2进行表征和分析。 1 实验部分 1 1 实验原料 表1 实验药品 药 品生产厂家预处理纳米Si O 2 自制 真空脱水二月桂酸二丁基锡 (DB TDL 分析纯)天津市光复精细化工研究所直接使用 2,4 二异氰酸甲苯酯(TD I 分析纯)天津市化学试剂厂六分厂分子筛干燥无水乙醇(分析纯)沈阳市华东试剂厂直接使用聚乙二醇2000(PEG 分析纯)沈阳市华东试剂厂真空脱水甲苯(分析纯) 沈阳市华东试剂厂 分子筛干燥 1 2 表面改性及表征 将纳米二氧化硅在真空烘干箱中120 烘4h ,以除去表面吸附的水分。将烘好的纳米粒子分散于甲苯溶液中,剪切分散30m i n 、超声分散30m in 后,加入到装有温度计、冷凝管的三口烧瓶中,同时加入TD I 、DBTDL ,在水浴锅中缓慢升温,80 冷凝回流反应4h 后,加入PEG 恒温反应4h 。产物进行离心分离,并用甲苯、无水乙醇各洗涤3次,然后在120 进行真空干燥8h ,得到改性后的纳米Si O 2,研磨待用。 将上述TDI /PEG 分别按摩尔比为1:0 6,1:0 8,1:1 0,1:1 2重复上述实验步骤。

粉体表面改性设备介绍

粉体表面改性设备

中国粉体表面改性设备种类很多,例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等,但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题,针对这些问题,近年来有了许多改进和进展,本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。 现状粉体表面改性设备,主要担负三项职责,一是混合,二是分散,三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面,并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同,混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同,因而出现多种性质不同的改性设备,而这些设备又多为借用,因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为: •。重力混合器 •。气动混合器 •。转鼓式混合机 •。v型混合机 •。Z型混合机 •。高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组) •。开炼机 •。密炼机 •。混炼型单螺杆挤出机,布斯混炼机 •。双螺杆挤出机以及静态混合器,空腔混合器,和拉伸混合器等。 这些设备存在的主要问题是: ①多数是间歇式的,连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式,混合效果差。存在产量低,能耗大,工人劳动强度高,易造成环境污染等问题。

②升温慢,改性时间长,相反改性剂用量大,改性效果差。 ③比较而言,高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。 ④与国外设备相比,差距明显,主要表现在连续性和改性效果方面。 可以说,中国的粉体表面改性设备的落后,严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。 从90年代开始,一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。 这些阶段成果包含两个方面: ①引进国外连续改性机型 ②对高冷搅机组进行改革 引进国外机型 引进、吸收、消化国外先进设备,是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外,现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世,且价格大大低于直接购买的国外同类设备。 1、PS系列粉体表面改性机 由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备,它具有设计先进,科学,能连续生产,产量高,能耗低,自动化程度高,工人劳动强度低,无粉尘污染,且表面改性剂用量少,包覆率高等特点。 ①PSC表面改性性能结构特征: 本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。

高分子材料中粉体表面改性的作用

超细粉体材料进行表面改性的作用分析 (上海汇精亚纳米新材料有限公司刘涛) (凤阳汇精纳米新材料科技有限公司) 高新技术的发展对材料的要求越来越高,而材料又是技术进步的关键和后盾。随着科技的发展,我们经常需要既能适应高温、高压、高硬度条件的材料,又具有能发光、导电、电磁、吸附等特殊性能的材料。因此,对材料特殊性能及品质要求的提高,为适应发展需要,人们不断地开发超微细粉体这一新兴填料体系。但由于超细粉体间普遍存在着范德华力(分子间作用力)、库仑力(静电力),粉体的细化过程实质上是以粒子的内部结合力不断被破坏,体系总能量不断增加的过程。因此从热力学角度来看,超细粉体有自发凝聚的倾向,而且颗粒越细小,团聚越严重。因此如何使团聚解聚,使颗粒均匀分散成为超细粉体材料得到很好应用的首要问题。研究表明,影响超细粉体分散的主要原因是:1:液桥力(液体的表面张力):当粉体受潮时,此力最大;2:范德华力;3:库仑力,不同电荷吸引力是粉体团聚的第三大因素。而对于超细粉体在高分子材料中的分散,一是常温下的分散混合,二是熔融状态下的分散混合,这两个过程都要求做到分散均匀。表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,如生物相容性、抗静电性能、染色性能及良好的分散性能等。汇精公司粉体材料的表面改性产品就是用偶联剂及表面活性剂在粉体表面进行,其可以降低粉体表面能,提高相容性,阻止或减轻团聚体的形成,提高其分散性,并使得粉体在高分子材料中得到迅速、均匀的分散。若超细粉体不加任何处理就加入到高分子材料中去,材料与聚合物之间就会存在明显的界面,如果在基体树脂中存在的许多空洞,在外力作用下能承受外力的有效截面积减少,填充材料的力学性能就会变差。因此超细粉体在表面处理水份控制以及选择合适的表面改性剂是非常关键的。 上海汇精亚纳米新材料有限公司、凤阳汇精纳米新材料科技有限公司利用自身丰富粉体应用技术资源,采用专业的配方,使用SLG加热式连续性表面改性机对超细粉体材料进行表面改性处理,使得超细粉体材料在各行业的使用性能得到大大提升,更赋予它新的功能;使得超细粉体的各项性能得到更好的发挥,适应了时代发展的趋势需求。

SLG 型连续式粉体表面改性机应用研究

SLG型连续式粉体表面改性机应用研究 郑水林1李 杨2骆剑军3 1.中国矿业大学北京校区,北京 100083; 2.北京工业大学; 3.江阴市启泰非金属工程有限公司 摘 要:在论述粉体表面改性设备应具备的工艺特性的基础上,介绍了新研制开发的SLG型连续式粉体表面改性机的结构、工作原理、性能特点以及在重钙、轻钙、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、煅烧高岭土等无机粉体表面改性中的应用。工业应用结果表明,SLG型连续式粉体表面改性机对粉体和表面改性剂具有良好的分散性,能使它们充分和机会均等地接触,对粉体,特别是对超细粉体和无机纳米粉体的表面改性或处理效果较好,且能耗低、无粉尘污染、操作简单、运行平稳。 关键词:粉体 表面改性 改性机 超细粉体 纳米粉体 在现代有机/无机和无机/无机复合材料中,广泛应用各种无机粉体原(材)料。这些粉体原料的分散性及与有机基料或其它无机组份的相容性,对复合材料的性能,尤其是力学性能有重要的影响。而且,随着粉体制备技术向亚微米及纳米尺度推进,解决粉体的团聚问题就成为其应用的关键。此外,随着对粉体材料功能性要求的提高,粒子表面性能的优化和设计也越来越重要。因此,现代粉体材料,尤其是超细和纳米粉体材料的表面改性或表面处理技术,已成为重要和必需的粉体深加工技术之一。 粉体的表面改性或表面处理技术,包括表面改性方法、工艺、表面改性剂及其配方、表面改性设备等。其中在表面改性工艺和改性剂配方确定的情况下,表面改性设备的优劣就成为粉体表面改性或表面处理的关键。性能好的表面改性设备应具备以下基本工艺特性:①对粉体及表面改性剂的分散性好;②粉体与表面改性剂的接触或作用机会均等;③改性温度可调;④单位产品能耗低;⑤无粉尘污染;⑥操作简便、运行平稳。 我国粉体表面改性技术的发展较晚,在2000年之前基本上无专业化的表面改性设备。除湿法改性之外,干法改性大多采用塑料加工行业的高速加热混合机或其它带导热油加热的混合设备。由于不是针对粉体表面改性处理,尤其是不是针对超细和纳米粉体表面改性设计的,这些设备难以满足超细粉体表面改性的要求。在这种背景下,原武汉工业大学北京研究生部与江阴市启泰非金属工程设备有限公司合作研制开发了专门针对超细粉体表面改性或表面

粉体表面改性复习要点(精简版)

第2章 纳米粉体的分散 1.粉体分散的三个阶段(名词解释) 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡,使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。 ?解团聚 是指通过机械或超声等方法,使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。 ?稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散 2.常用的分散剂种类 (1)表面活性剂 空间位阻效应 (2)小分子量无机电解质或无机聚合物 吸附--提高颗粒表面电势 (3)聚合物类(应用最多) 空间位阻效应、静电效应 (4)偶联剂类 3.聚电解质(名词解释) 是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子 4.对不同pH 值下PAA 在ZrO 2表面的吸附构型进行分析。 图.不同pH 值下PAA 在ZrO 2 表 面的吸附构型 a.当pH<4时,PAA 几乎不解离,以线团方式存在于固液界面上,吸附层很薄,几乎无位阻作用 δ δδ

b.随pH值增加,链节间静电斥力使其伸展开 c.ZrO2表面电荷减小直至由正变负,PAA的负电荷量增加,其间斥力增加, 使得PAA链更加伸展,可在较远范围提供静电位阻作用 5.用聚电解质分散剂分散纳米粉体时,影响浆料稳定性的各种因素有哪些? 1、聚电解质的分子量 当聚电解质分子量过小,在粉体表面的吸附较弱,吸附层也较薄,影响位阻作用的发挥。 分子量过大,易发生桥连或空位絮凝,使团聚加重,粘度增加。 2、分散剂用量 适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定。 用量过低,粉体表面产生不同带电区域,相邻颗粒因静电引力发生吸引,导致絮凝。 用量过高,离子强度过高,压缩双电层,减小静电斥力;同时,还易发生桥连或空缺絮凝,稳定性下降。 3、温度 研究表明,为了获得较好的分散效果(以最低粘度为衡量标准),随温度的升高,所需分散剂的用量随之增加 6.结合下图,分析煅烧为什么能够改善纳米Si3N4粉体的分散性? 煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性 ?此前提到,球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应。 ?以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时,表面的Si-OH可能与乙醇反应生成酯。 ?酯基的生成对粉体的分散性影响很大: a、酯基是疏水基团 b、屏蔽负电荷,影响分散剂的吸附 ?采取煅烧去除酯基,可改善其分散性 第3章纳米粉体表面改性(功能化) 1.表面改性有哪些重要应用? 改善纳米粉体的润湿和附着特性。 改善纳米粉体在基体中的分散行为,提高其催化性能。 改善粉体与基体的界面结合能等。 2.纳米粉体的表面改性方法? 气相沉积法 机械球磨法 高能量法

中国碳酸钙资源概况及其地理分布澳达粉体表面改性剂

中国碳酸钙资源概况及其地理分布 中国是世界上石灰岩矿资源丰富的国家之一。除上海、香港、澳门外,在各省、直辖市、自治区均有分布。据原国家建材局地质中心统计,全国石灰岩分布面积达43.8万KM2(未包括西藏和台湾),约占国土面积的1/20,其中能供做水泥原料的石灰岩资源量约占总资源量的1/4~1/3。为了满足环境保护、生态平衡,防止水土流失,风景旅游等方面的需要,特别是随着我国小城镇建设规划的不断完善和落实,可供水泥石灰岩的开采量还将减少。全国已发现水泥石灰岩矿点七、八千处,其中已有探明储量的有1286处,其中大型矿床257处、中型481处、小型486处(矿石储量大于8000万吨为大型、4000~8000万吨为中型、小于4000万吨为小型),共计保有矿石储量542亿吨,其中石灰岩储量504亿吨,占93%;大理岩储量38亿吨,占7%。保有储量广泛分布于除上海市以外29个省、直辖市、自治区,其中陕西省保有储量49亿吨,为全国之冠;其余依次为安徽省、广西自治区、四川(含重庆市)省,各保有储量34~30亿吨;山东、河北、河南、广东、辽宁、湖南、湖北7省各保有储量30~20亿吨;黑龙江、浙江、江苏、贵州、江西、云南、福建、山西、新疆、吉林、内蒙古、青海、甘肃13省各保有储量20~10亿吨;北京、宁夏、海南、西藏、天津5省各保有储量5~2亿吨。 一、澳达粉体表面改性剂技术指标 1、外观:无色透明液体; 2、粘度:12 ±2mPa.S (25℃);

3、PH值:6-7; 4、比重:1.11±0.01g/ml; 5、溶解性:与水以任意比例混溶。 二、澳达粉体表面改性剂适用范围 本品适用于各种无机粉体,如轻钙、重钙、硫酸钙、炭黑、滑石粉、白炭黑、硫酸钡、晶须钙、高岭土、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化铝、氧化镁、氧化铈、云母粉、二氧化硅、纳米碳管、氮化硼、碳化硼、二氧化硼、颜料、复合粉等。 三、澳达粉体表面改性剂性能特点: 1、本品是较低分子量的聚合物, 集助磨、改性、润滑、偶联、分散等功能于一体,每 个分子有多个极性基团,它在无机粉体表面的吸附是部分极性基团朝无机粉体表面,另一部分则朝溶液,并通过分子间力或氢键与溶液产生缔合,从而形成立体屏障防止颗粒间接触聚集,起到粒子间分散作用。 2、本品具有优良的活化改性,助磨分散,偶联作用,能大幅度降低粉体吸油量,并使粉体具有优良的亲水亲油特性,与水性树脂体系相容性更好,降低树脂用量,从而达 到纸张、涂料生产中高填充、低粘度的加工要求。 3、经本品处理后的重质粉体填料,白度保持好,润湿分散性佳,完全能达到造纸,涂料等行业降低水性树脂用量,降低成本的要求;在造纸、涂布方面,用改性粉体具有 比表面积大、表面活性高、强度和硬度高等特点,所以有助于提高涂布纸的质量。改 性粉体用作涂布加工纸的原料,特别是用于高级板纸,可代替部分陶土,有效地提高 纸的白度和不透明性,改进纸的平滑度、柔软度,改善纸张的吸收性能,提高保留率;用于造纸,可增加用量,提高纸张的白度、蔽光性、吸油性,改善纸张的印刷性能和光学 性能,使纸张更加均匀平整,减小对纸机的磨损,还能增加纸张对油墨、彩色颜料的附着力,使印刷品鲜艳、逼真、美观。在涂料方面,能让涂料膜白度增加,光泽度高,而遮盖力 却不降低,这一性能使其在涂料工业被大量推广应用。改性粉体作为填料使用,在涂料中起骨架和对底材(钢材,木材)的填平作用,使底层涂料膜沉积性和渗透性增强。改性粉体用作高档轿车底盘PVC漆的功能性填料,可以改变PVC漆的触变性,提高喷漆固化速度 和PVC漆的抗冲击强度。另外,用改性粉体填充涂料可以大大提高其柔韧性、硬度、 流平性、储存稳定性以及光泽度。 4、可使改性粉体填料在树脂乳液液中有持久的分散防沉性,避免出现分层现象。

非金属矿物粉体表面改性技术探讨

非金属矿物粉体表面改性技术探讨 发表时间:2018-07-26T10:08:10.707Z 来源:《基层建设》2018年第15期作者:张仕奇张君杰张扬[导读] 摘要:表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术,本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 内蒙古科技大学内蒙古自治区包头市昆都仑区 014010 摘要:表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术,本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 关键词:非金属矿物;表面改性;技术 随着新型复合材料的兴起,非金属矿物表面改性技术也得到了快速的发展,表面改性是非金属矿物材料必须的加工技术,通过表面改性能够使材料的性能和应用价值得到极大的提升。 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Ti02、ZnO、CaC03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Si02和A1203。 (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。 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丰要有干法工艺、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A1203薄膜的基础上,再用钛酸酯、硅烷及其他有机表面改性剂对Ti02/Si02或A1203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:是一种物理涂覆的方式,在进行金属镀膜或者覆膜之后,在通过有机化学进行改性的工艺。 参考文献: [1] 刘伯元.中国粉体表面改性(塑料填充改性)的最新进展[C]// 中国建筑材料及非金属矿物加工与检测技术交流大会.建筑材料工业技术情报研究所,2009. [2] 郑水林.粉体表面改性工艺设备及其选择[C]// 中国白色工业矿物技术与市场交流大会.2009.

关于超细碳酸钙粉体的干法表面改性分析

关于超细碳酸钙粉体的干法表面改性分析 【摘要】碳酸钙粉体的表面改性是其深加工的重要部分,是塑料工业使用数量最大、应用面最广的粉体填料。工业生产中使用的活性碳酸钙粉体,主要是通过单一的硬脂酸及其盐、表面活性剂或偶联剂的吸附、表面涂覆和表面化学性来实现表面有机化改性。本文主要介绍超细碳酸钙的干法表面改性以及应用效果。解决塑料制品加工中混料的均匀性及下料的离析现象,减少清洗设备的用料量,提高超细碳酸钙粉体的应用性能与质量。 【关键词】超细;碳酸钙粉体;干法表面改性 粉体表面改性是集粉体加工材料、材料性能、化工机械等于一体的新技术,此技术的针对性和目的性比较强,而且此技术工艺方法比较多,影响因素也比较复杂,所以在制作的过程中要细致的分析这些影响因素,从而选择正确的表面改性方法、工艺配方和设备,使碳酸钙粉体的表面改性达到预期目的。碳酸钙粉是一种普通的无机非金属填料,经过超细粉碎和改性,可以将其变成一种性能优越的功能填料。 1 碳酸钙粉体表面改性概述 碳酸钙在人们的日常生活中比较常见,被广泛应用于塑料、造纸、建筑材料、食品添加剂等行业。碳酸钙一般有轻质与重质之分,轻质碳酸钙的活化改性一般采用湿性工艺加工。重质碳酸钙是通过天然粉碎碎石而得,它的活化改性可以采用干性也可以采用湿性。我国的高档碳酸钙仍然需要从国外进口,国内的碳酸钙技术在质量上与西方国家存在一定的差距,所以必须加强对碳酸钙的研究,碳酸钙表面改性剂的研究是研究碳酸钙的重要领域之一,比较常用的表面改性剂与改性方法有:有机/无机改性剂、聚合物改性剂、偶联剂等等。碳酸钙的活性改性实际上是选择特定的表面改性剂,对碳酸钙颗粒进行包覆处理,从而使碳酸钙成为一种填充材料。 2 影响碳酸钙粉体表面改性的主要因素 2.1 粉体原料 碳酸钙粉体原料的比表面积、颗粒形状以及大小,还与它的物理、化学性质等都对其改性效果有一定的影响。在不计粉体空隙的状况下,粉体的颗粒大小与其比表面积成反比的关系,也就是说粉体的颗粒越细,其比表面积越大,此时表面改性剂的用量也越大。粉体表面性质,比如表面电性、湿润性、溶解性等都直接影响着碳酸钙粉体与表面改性剂分子的作用,进而影响其表面改性的效果。 2.2 表面改性剂用量 在进行碳酸钙表面改性剂的研究中,其颗粒表面达到单分子层吸附所用的最

无机纳米粉体表面改性研究进展

摘要: 由于纳米粒子易团聚, 对其进行表面改性是很必要的。本文综述了纳米粒子表面改性的主要方法, 介绍了国内外表面改性的一些实例, 并对纳米粒子表面改性的一些新发展和应用前景作了说明。 关键词: 纳米粉体; 团聚; 表面改性;表征 Abstract:Accumulation is one of the most important problems to be resolved in the application of nanosize power.Surface modification can efficiently resolve this problem.In this aricle,the author discuss the cause of the accumulation,the way of surface medication and the manifestion of surface modification. Key words: nanosizes power, accumulation, surface modification, manifetation 1、引言 物质经微纳米化后, 尤其是处于纳米状态时, 其尺寸介于原子、分子与块状材料之间, 故有人称之为物质的第四状态。由于纳米粒子具有大比表面积, 随着粒子半径的减小, 其表面能和表面张力都急剧增大,此外还具有小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应, 因而纳米材料具有独特的力学、光、热、电、磁、吸附、气敏等性质, 在传统材料中加入纳米粉体将大大改善其性能或带来意想不到的性质。 目前, 纳米材料在信息、能源、环境和生物技术等高科技产业中的应用已取得了初步成果。但是在应用过程中, 由于纳米粒子粒径小, 表面活性高, 使其易发生团聚而形成尺寸较大的团聚体[1], 严重地阻碍了纳米粉体的应用和相应的纳米材料的制备。 2、纳米粒子的团聚 所谓纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。 从热力学上, 纳米粒子的分散体系具有巨大的比表面积, 表面能很大, 系统会自动朝着表面积减小的方向变化, 导致纳米粒子发生团聚。粉末的团聚分为软团聚和硬团聚。软团聚主要是由于颗粒之间的范德华力和库仑力所致, 该团聚可通过施加机械能能消除粉末的硬团聚体内除了颗粒之间的范德华力和库仑力之外, 还存在化学键作用, 目前人们对粉末的硬团聚机理存在不同的看法, 其中最有代表性的是晶桥理论、毛细管吸附理论、氢键作用理论和化学键作用理论[2]。 图1 纳米粒子的团聚机理示意图 Fig1 agglomeration mechanism schematic diagram of nano2particles 为了解决纳米粉体的团聚问题以及改善粉体粒子表面活性,就需要对粉体粒子进行表面改性。

岗石粉体助磨改性剂,降低20%的吸油值

岗石粉体助磨改性剂,降低20%的吸油值 人造岗石用的微粉填料主要是一种重质碳酸钙,通常使用立磨粉碎大理石矿石获得,也称为立磨粉,但是立磨粉本身是亲水性粉体,在岗石原料树脂中的相容性和分散效果不足,故使用前需要采用专用的碳酸钙助磨改性剂对其进行改性处理,才能得到优质的立磨粉。 人造岗石用碳酸钙助磨改性剂是较低分子量的聚合物, 集助磨、改性、润滑、偶联、分散等功能于一体,每个分子有多个极性基团,它在无机粉体表面的吸附是部分极性基团朝无机粉体表面,另一部分则朝油性溶液,并通过分子间力或氢键与油性溶液产生缔合,从而形成立体屏障防止颗粒间接触聚集,起到粒子间分散作用。

一、物理性能: 碳酸钙助磨改性剂通常呈乳白色液体状,粘度15 ±2mPa.S (25℃),PH值:8-9,比重:1.014± 0.02g/ml,易溶于水。 碳酸钙助磨改性剂它有优良的活化改性,助磨分散,偶联作用,能大幅度降低粉体吸油量,并使粉体具有优良的亲水亲油特性,与不饱和树脂体系相容性更好,从而达到人造石生产中高填充、低粘度的加工要求。使用这种碳酸钙助磨改性剂改性的碳酸钙吸油值理想状态下可下降10-20%。还可以使岗石粉填料在不饱和树脂液中有持久的分散防沉性,使得制品不会出现气孔、起皮、龟裂等现象;制品表面发色均匀、自然、光亮。 二、碳酸钙助磨改性剂应用范围 它适用于各种无机粉体,如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、高岭土、二氧化硅、滑石粉、炭黑、颜料和其他粉体的表面分散改性;改性后的粉体特别适合人造石行业客户的使用。

三、碳酸钙助磨改性剂用法及用量: 1.用法与一般粉体的改性方法相同,也可与其他表面活性剂或助剂混用,但通常不能同时加入,需先加入碳酸钙助磨改性剂,再加入其它组分。以粉体固含量计算,加入量约占粉体的0.1%—0.5%。 2.使用计量泵,将1-20倍稀释好的助剂计量喷雾在二次破碎的原矿表面,矿石通过螺旋进料或皮带输送进研磨主机,进行干法研磨加工。 3.为达到最佳效果,在生产过程中可单独补加水,以利于助剂对钙粉的充分润湿和包覆。补水量根据设备的排水能力而定,以产品水分合格为准。 粉体改性是现代无机粉体,几乎都离不开粉体表面改性这个重要课题,因为通过改性后的粉体,在各项性能方面都有一个质的提升,在人造岗石领域是一个大势所趋的课题。

纳米氧化锌的表面改性

文章编号:1005-7854(2004)02-0050-03 纳米氧化锌的表面改性 马正先 1,2 ,韩跃新2,印万忠2,王泽红2,袁致涛2,于富家2,马云东 3 (11济南大学,济南250022;21东北大学,沈阳110004;31辽宁工程技术大学,阜新123000) 摘 要:在新开发的纳米氧化锌应用中,大多是将氧化锌直接混入有机物中,而把氧化锌直接添加到 有机物中有相当大的困难,因此必须对纳米氧化锌进行表面改性。以自制纳米氧化锌为原料,采用钛酸酯偶联剂为改性剂对其进行了表面改性处理。试验发现,改性剂用量是影响改性效果的最重要影响因素,且其用量远远超出普通粉体用量,最后找出了最佳改性条件。借助于T EM 、IR 等测试手段,对纳米氧化锌粉体改性前后的变化进行了表征与分析。试验结果表明,最佳改性条件为:改性剂用量为40%,改性时间约为30min 。 关键词:纳米氧化锌;表面改性;红外光谱;钛酸酯偶联剂中图分类号:TB383 文献标识码:A SU RFACE M ODIFICA T ION OF N ANOM ET ER -SIZED ZINC OXIDE MA Zheng -x ian 1,2,HAN Yue -x in 2,YIN Wan -z hong 2,WANG Ze -hong 2, Y UAN Zhi -tao 2,Y U Fu -j ia 2,MA Yun -dong 3 (11Jinan University ,Jinan 250022,China;2.Northeaster n Univer sity ,Shengy ang 110004,China; 31L iaoning Technical University ,Fux in 123000,China) ABSTRAC T:In application of new ly prepared nano -sized zinc ox ide,it is directly added into organic compound mostly,w hich is difficult comparatively.So,it is indispensable that surface modification of nano -sized zinc ox ide is done.The tests on surface modification of sel-f made nano -sized zinc oxide w ere carried out w ith titanate as cou -pling agent.Results indicate that the use level of coupling agent is the most important factor to influence the modification and its dosage is w ell over that needed for common pow der.By m eans of IR and TEM ,unmodified and modified nano -sized zinc oxides are investigated and the optimal modifying conditions are the agent dosage of 40%and modifying time of about 30min. KEY WORDS:Nano -sized zinc ox ide;Surface modification;IR -spectrum ;T itanate coupling agent 收稿日期:2003-09-05 基金项目:国家自然科学基金项目(50374021) 作者简介:马正先,机械学院副教授、博士,主要从事粉体制备 与处理及其设备的研究。 1 引 言 氧化锌的用途十分广泛,主要用于橡胶、油漆、涂料、印染、玻璃、医药、化工和陶瓷等工业112。纳米氧化锌因其全新的纳米特性体现出许多新的物理化学性能,使它在众多领域表现出巨大的应用前景。纳米氧化锌除了作为微米级或亚微米级氧化锌的替 代产品外,在抗菌添加剂、防晒剂、催化剂与光催化剂、气体传感器、图像记录材料、吸波材料、导电材料、压电材料、橡胶添加剂等新的应用场合也正在或 即将投入应用12-62。在这些应用过程中,大多是与有机物相混的,而氧化锌作为无机物直接添加到有机物中有相当大的困难:1颗粒表面能高,处于热力学非稳定状态,极易聚集成团,从而影响了纳米颗粒的实际应用效果;o氧化锌表面亲水疏油,呈强极性,在有机介质中难于均匀分散,与基料之间没有结合力,易造成界面缺陷,导致材料性能下降。所以,必须对纳米氧化锌进行表面改性,以消除表面高能 第13卷 第2期2004年6月 矿 冶M INING &M ET ALLURGY Vol.13,No.2 June 2004

无机分体表面改性方法综述

无机粉体表面改性方法综述 唐亚峰 (南华大学化学化工学院无机非金属材料系湖南衡阳) 摘要:表面改性是无机粉体的主要加工技术之一,表面改性对提高无机粉体的应用性能起着关键的作用。改性后的无机粉体分散性提高,同时也改善了粉体和有机高聚物的相容性。本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型改性方法,并对无机粉体表面改性方法进行展望。 关键词:无机粉体;表面改性;改性方法;新型方法; 前言 无机粉体具有很高的应用性能和应用价值,添加到聚合物材料当中不仅能降低其生产成本,还提高了复合材料的力学性能和综合性能,甚至赋予其绝缘、阻燃等特殊的物理化学性质。 无机粉体一般为微米或纳米级颗粒,由于其粒径小、比表面积大、表面能高,容易发生团聚,难以在复合材料中均匀分散,影响添加效果。无机粉体的表面性质和聚合物有机体系相差甚远,这也使得无机粉体不能很好的分散到材料中。因此,当无机粉体添加到高聚物复合材料时,首先要对无机粉体进行表面改性,使其粒子表面有机化,改善其亲油性和与基体的相容性,增强界面结合能力,从而发挥无机粉体的功能[1]。 本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型的改性的方法,并分析了这些方法各自的优缺点。最后对无机粉体表面改性方法进行了展望。 1 无机粉体表面改性的机理 由于无机矿物材料是极性或强极性的亲水矿物,而有机高聚物基质具有非极性的疏水表面,彼此相容性差,通常无机矿物材料难以在有机基体中均匀分散,因此如果过多地或者直接将无机矿物材料填充到有机基体中,容易导致复合材料的某些力学性能下降甚至出现脆化等问题。无机粉体表面改性是利用粉体表面的活性基团或电性与某些带有两性基团的小分子或高分子化合物( 表面改性剂) 进行复合改性,使其表面性质由疏水性变为亲水性或由亲水性变为疏水性,从而改善粉体粒子表面的浸润性,增强粉体粒子在介质中的界面相容性,使粒子容易分散在水中或有机化合物中。粉体表面改性是材料制备工程的重要手段,也是新材

粉体表面改性设备

粉体表面改性设备 中国粉体表面改性设备种类很多,例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等,但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题,针对这些问题,近年来有了许多改进和进展,本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。 现状粉体表面改性设备,主要担负三项职责,一是混合,二是分散,三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面,并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同,混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同,因而出现多种性质不同的改性设备,而这些设备又多为借用,因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为: •重力混合器 •气动混合器 •转鼓式混合机 •v型混合机 •Z型混合机 •高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组) •开炼机 •密炼机 •混炼型单螺杆挤出机,布斯混炼机 •双螺杆挤出机以及静态混合器,空腔混合器,和拉伸混合器等。 这些设备存在的主要问题是: ①多数是间歇式的,连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式,混合效果差。存在产量低,能耗大,工人劳动强度高,易造成环境污染等问题。 ②升温慢,改性时间长,相反改性剂用量大,改性效果差。 ③比较而言,高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。 ④与国外设备相比,差距明显,主要表现在连续性和改性效果方面。 可以说,中国的粉体表面改性设备的落后,严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。

从90年代开始,一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。 这些阶段成果包含两个方面: ①引进国外连续改性机型 ②对高冷搅机组进行改革 引进国外机型 引进、吸收、消化国外先进设备,是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外,现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世,且价格大大低于直接购买的国外同类设备。 1、PS系列粉体表面改性机 由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备,它具有设计先进,科学,能连续生产,产量高,能耗低,自动化程度高,工人劳动强度低,无粉尘污染,且表面改性剂用量少,包覆率高等特点。 ①PSC表面改性性能结构特征: 本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。 ②工作原理: 粉体原料经给料输送系统被送至主机上方的雾化室,在输送过程中,由给料输送机特设的加热装臵将粉体加热并干燥,与此同时固体状的改性剂在专用加热容器内也被加热熔化至液体状态后经输送管道送至雾化室。 雾化室内设有两组喷嘴,并均通人由给风系统送来之热压力气流,其中一组有四只喷嘴按不同位臵分布于雾化室内壁,其作用是将由给料输送系统送来的粉体物料吹散呈雾状,另一组有一只喷嘴同时与改性剂输送管道相通,将液状改性剂也吹散呈雾状。此时,原料和改性剂形成雾状,由于受到两组喷嘴从不同方向喷射出气流的作用,得以充分的混合,随即进人主机。 主机由高速旋转的主轴、搅拌棒、冲击锤、中间充满循环导热油的夹层简体等部分组成。进入主机内的雾化物料在搅拌棒的高速搅拌下,受到了冲击、摩擦、剪切等诸多力的作用使粉体颗粒与改性剂得到更充分接触、混合。主机夹层内循

(澳达)粉体表面改性剂降低粉体吸油值说明书

一、(澳达)牌粉体表面改性剂适用范围 本品适用于各种无机粉体,如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、高岭土、二氧化硅、滑石粉、炭黑、颜料和其他粉体的表面分散改性,改性后的粉体特别适合人造石、塑胶、橡胶等行业客户的使用。用本品改性的碳酸钙吸油值下降10-20% 二、(澳达)粉体表面改性剂性能特点: 1、本品是较低分子量的聚合物, 集助磨、改性、润滑、偶联、分散等功能于一体,每个分子有多个极性基团,它在无机粉体表面的吸附是部分极性基团朝无机粉体表面,另一部分则朝溶液,并通过分子间力或氢键与溶液产生缔合,从而形成立体屏障防止颗粒间接触聚集,起到粒子间分散作用。 2、本品具有优良的助磨分散、改性作用,适用于重钙干法研磨生产过程中的改性加工,能大幅度降低粉体吸油量,并使粉体具有优良的亲水亲油特性,与树脂体系相容性更好,从而达到人造石、塑胶、橡胶生产中高填充、低粘度的加工要求。 3、经本品处理后的重钙填料,白度保持好,润湿分散性佳,完全能达到人造石、塑胶、橡胶等行业低吸油量要求,并且在搅拌固化过程中,抑制产生大量搅拌热,从而使树脂混合液流动性好,后固化过程充分。 4、可使重钙填料在不饱和树脂液中有持久的分散防沉性,制品不会出现气孔、起皮、龟裂等现象,制品表面发色均匀、自然、光亮。 5、本品可通过包覆,降低碳酸钙吸油值,碳酸钙表面被表面张力较低的有机活性剂分子包覆,其比表面能较未活化改性产品低,颗粒之间的黏滞阻力降低,颗粒的流动性能提高,因此粉体具有类似于液体的流动性。 三、温馨提示: 1、如与其他助剂一起使用,应先加入本品,再加其他组分。 2、本品所述技术性能及应用方法仅供专业人士参考,而并非对使用效果之承诺,凡新使用产品及改变工艺,须先做严格的可行性测试,以求最佳使用效果。

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