粉体表面改性

4粉体表面改性1)定义表面改性是指利用各类材料或助剂，采用物理、化学、机械等方法对矿物粉体表面进行处理，根据应用的需要有目的地改善粉体表面的物理、化学性质或物理技术性能，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。4.1概述粉体的表面改性处理直接影响着粉体的使用价值和应用领域。粉体的表面改性与很多学科领域密切相关，是粉体加工工程与表面科学及其它众多学科的边缘学科。粉体表面改性处理，包括改变颗粒表面晶体结构和官能团、表面能、表面润湿性、电磁性、光学性质以及表面吸附性和反应特性等。2)表面改性的目的使无机矿物填料由一般增量填料变为功能性填料；为高分子材料及复合材料提供新的技术方法；提高涂料或油漆中颜料分散性，改善涂料性能；使制品有良好的光学效应或视觉效果，附加值高。表面改性是为改善矿物材料的使用性能，提高使用价值并拓展新的应用领域，以满足新材料、新技术发展、新产品开发的需要。•对膨润土进行有机阳离子覆盖处理，可提高其在弱极性或非极性体系中的膨胀、悬浮、触变等特性；•通过表面改性处理，可提高涂料的分散性并改善涂料的光泽、着色力、遮盖力以及耐热性、保光性、保色性等。3）表面改性的特点虽然有时采用化学反应的方法，但这类反应只改变矿物界面层次的组分，不改变矿物材料的内部晶体结构及物理化学性质。4.2表面改性方法物理表面改性；化学表面改性；机械化学改性。4.2.1物理表面改性凡是不用表面改性剂或所使用的改性剂与粉体颗粒表面不发生化学反应而达到表面改性的方法称为物理表面改性。常见的方法：包覆改性和高能改性。包覆也称涂敷，是一种对粉体表面简单处理的方法，借助于黏附力，利用有机高聚物或树脂等对粉体表面进行“包覆”，以达到改善粉体表面性能的方法。影响因素：颗粒的形状比表面积孔隙率涂覆剂的种类涂敷处理工艺，等包覆改性例：树脂包覆石英砂--冷法和热法在包覆处理前对石英砂进行冲洗或擦洗和干燥。冷法包覆砂是在室温下制备的，先将粉状树脂与砂混匀，然后加入溶剂（工业酒精、丙酮或糠醛），溶剂加入量根据混砂机能否封闭而定。封闭者，酒精用量为树脂用量的40-50%；不能封闭者为70-80%，再继续混碾到挥发完，干燥后经粉碎和筛分即得产品。但该法使用有机溶剂量大，仅用于少量生产。热法覆膜是将砂子加热进行覆膜，即先将石英砂加热到140-160℃，然后与树脂在混砂机中混匀（其中树脂用量为石英砂用量的2-5%）。这时树脂被热砂软化，包覆在砂粒表面，随着温度降低而变粘，此时加入乌洛托品（六亚甲基四胺）分布在砂粒表面，并使砂激冷（乌洛托品作为催化剂可在壳膜形成时使树脂固化）。再加硬脂酸钙（防止结块）混数秒钟后出砂，然后粉碎、过筛、冷却后即得产品。此法效果好，适合大量生产，但工艺控制较复杂，并需专门的混砂设备。高能改性是指利用超声波、紫外线、红外线、电晕放电、等离子体照射及其它高能射线辐射，对粉体表面进行改性处理的方法。高能改性是粉体表面改性的一个新动向，可以完成其它方法所不能完成的任务。该方法工艺复杂、成本高，因此在粉体表面处理方面受到限制。高能改性超声波处理超声波波长短，能量易集中，能产生强烈的振动及对介质的空化作用，可使粉体材料的特性和状态发生变化。如被浮选的矿物经超声波处理后，其可浮性增加。低频超声波主要用于药剂分散，降低表面张力以及矿物颗粒表面的清洗；高频超声波可用于提高药剂的吸附能力和气泡在浮选中的分散。高能射线辐射处理高能射线能在极短的时间内将能量传递给介质，使介质发生电离和激发等变化，引起热效应、荷电效应、缺陷生成、辐射化学反应等效应，从而使颗粒表面发生变化。常见的有等离子体辐射等。此外，电磁波、中子流、α粒子、β粒子在矿物颗粒表面改性领域均有应用。其作用表现在辐射能改变矿物表面结构及电荷性质、可使颗粒表面空位等晶体缺陷增加，从而改变了颗粒表面的能量状态，使其润湿性、吸附能力均有所增加。电子辐射加热处理可使某些矿物颗粒的磁性或表面荷电性质发生变化，从而有利于磁力分选和静电分离。4.2.2化学表面改性使粉体颗粒表面发生化学反应而达到表面改性的方法称为化学表面改性。表面化学改性沉淀反应改性电化学改性微胶囊化改性。利用表面化学方法，如有机物分子中的官能团(游离基反应、鳌合反应、溶胶吸附以及偶联剂)在无机矿粒（填料或颜料）表面的吸附或化学反应对颗粒表面进行局部包覆使颗粒表面有机化而达到表面改性的方法，它是无机填料或颜料的主要表面改性处理方法。表面化学改性常用改性剂偶联剂——最常用的矿物表面改性剂高级脂肪酸及其盐——适用于表面含金属活性粒子的矿物不饱和有机酸和有机硅，等改性剂的选择范围较大，具体选用时要综合考虑粉体的表面性质、改性产品的用途、质量要求、处理工艺以及表面改性剂的成本等因素。表面化学改性一般在高速加热混合机或捏合机、流态化床、研磨机等设备中进行。这是因为粉体的表面改性处理大多是在粉体物料中加入少量表面改性剂溶液进行的操作。如果在溶液中进行表面表面改性处理（如浸渍）也可在反应釜或反应罐中进行，处理完后再进行脱水干燥。影响无机粉体物料表面化学改性的主要因素：•颗粒的表面性质，如表面官能团的类型、表面酸碱性、水分含量、比表面积等；•表面改性剂的种类、用量及用法；•工艺设备及操作条件，如设备性能、物料的运动状态或机械对物料的作用方式、反应温度和反应时间等。应用：表面化学改性方法应用较广泛，主要用于无机填料或颜料的表面改性处理以及塑料和橡胶工业中以补强作用为目的的颗粒填料上。利用化学沉淀反应并将生成物沉积在矿粒表面形成一层或多层“改性层”的方法称沉淀反应改性。•改善粉体表面性质，如光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐候性、耐热性、电性、磁性等。沉淀反应改性•沉淀反应改性是无机染料表面改性最常用的方法之一。•沉淀反应改性一般是在粉体颗粒表面包覆无机氧化物（氧化物可以是多种）或氢氧化物及其盐类。•如珠光云母的制备，即通过金属氧化物（氧化钛等）在白云母颗粒表面的沉淀反应包覆于云母颗粒表面而制得的；用氧化铝或二氧化硅处理二氧化钛（钛白粉）；碳化硅晶须表面包裹三氧化二铅工艺等。方法：粉体的沉淀反应改性一般采用湿法，即在分散的粉体水浆液中，加入所需的改性（处理）剂，在适当的pH和温度下，使无机改性剂以氢氧化物或水合氧化物的形式均匀沉淀在颗粒表面，形成一层或多层包覆膜，然后经过洗涤、脱水、干燥、焙烧等工序使该包覆膜牢固地固定在颗粒表面，从而达到改进粉体表面性能的目的。影响因素浆液的pH、浓度反应温度和反应时间颗粒的粒度、形状及后续处理工序（如洗涤、脱水、干燥或焙烧），等pH、温度是沉淀反应改性最重要的控制因素。胶囊化改性是在颗粒表面覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面化学改性方法。主要方法：化学方法物理化学方法机械物理方法胶囊化处理•微胶囊的直径大都在一到几百微米范围内，微胶囊的壁膜通常是连续且坚固的薄膜。•微胶囊化改性不仅能制备无机―有机复合胶粒，还可利用其缓释性将固体药粉胶囊化，另外它还能够将液滴固体（胶囊）化。•微胶囊化改性最先应用于现代医药领域，目的是使药物超细粉的药效实现缓释效应。如今，微胶囊化改性应用领域越来越广泛，技术方法也多种多样，致使影响因也很多。机械化学改性是利用粉碎、磨碎、摩擦等超细粉碎及其它强烈机械力作用有目的地对矿物表面进行激活，在一定程度上改变矿粒表面的晶体结构、溶解性能（表面无定型化）、化学吸附和反应活性（增加表面活性点或活性基团）等4.2.3机械化学改性机械化学改性既是一种独立改性方法，也可视为实现表面化学改性、接枝改性等的促进手段机械化学改性的含义利用矿物超细粉碎过程中机械应力的作用激活矿物表面，使表面晶体结构与物理化学性质发生变化，实现改性，满足应用需要利用机械应力对表面的激活和由此产生的离子和游离基，引发单体烯烃类有机物聚合，或使偶联剂等表面改性高效反应附着而实现改性•影响机械激活作用强弱的主要因素：粉碎设备的类型、机械作用的方式、粉碎环境（干、湿等）、助磨剂或分散剂的种类和用量、机械力的作用时间以及粉体的粒度大小与分布或比表面积等。•能够对粉体材料进行机械激活的粉碎设备：各类型球磨机（筒式球磨机、行星球磨机、离心球磨机、搅拌球磨机、振动球磨机等）、气流磨及机械冲击式磨机等。接枝改性酸碱处理化学气相沉淀（CVD）物理沉淀（PVD），等其它表面改性方法粉体表面改性设备主要职责：•混合；•分散；•使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。改性设备分类：干法改性设备、湿法改性设备4.3表面改性设备4.3.1干法改性设备高速加热式混合机卧式加热混合机SLG型(涡流式)连续式粉体表面改性机PSC型连续式粉体表面改性机高速冲击式粉体表面改性机流化床式粉体表面改性机涡旋磨（1）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。结构高速加热混合机的结构1-回转盖2-混合锅3-折流板4-搅拌装置5-排料装置6-驱动电机7-机座混合室成圆筒形，是由内层、加热冷却夹套、绝热层和外套组成。内层具有很高的耐磨性和光洁度，上部与回转盖相接，下部有排料口。为了排去混合室内的水分子与挥发物，有的还装有抽真空装置，叶轮是高速加热式混合机的搅拌装置，与驱动轴相连，可在混合室内高速旋转。折流板断面成流线型，悬挂在回转盖上，可根据混合室内物料量调节其悬挂高度。折流板内部为空腔，装有热电偶，测试物料温度。混合室下部有排料口，位于物料旋转并被抛起时经过的地方。排料口接有气动排料阀门，可以迅速开启阀门排料。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，是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，是物料形成无规则运功，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。高速加热混合（捏合）机的工作原理1-回转盖2-外套3-折流板4-叶轮5-驱动轴6-排料口7-排料气缸8-夹套影响因素叶轮的形状与回转速度物料温度物料在混合室内的充满程度（即填充率）混合时间添加剂（表面改性剂）加入方式和用量特点高速加热式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、小批量的表面化学包覆改性和实验室进行改性剂配方试验研究。（2）SLG型粉体表面改性机SLG型粉体表面改性机是一种连续干式粉体表面改性机。结构三筒式连续表面改性机SLG型连续粉体表面改性机的结构1-温度计2-出料口3-进风口4-风管5-主机6-进料口7-计量泵8-喂料机工作原理工作时，待改性的物料经喂料机给入，经与计量和连续给入的表面改性剂接触作用后，依次通过三个圆筒形的表面改性腔，然后从出料口排出。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冲击、剪切和摩擦作用产生粉体表面改性所需要的温度。这一温度可以通过转子转速、粉料通过的速度或给料速度以及风门的大小来调节，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旋二相流，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。影响因素物料的水分含量：要求原料的水分含量≤1%。改性温度：改性温度要依表面改性剂的品种、用量和用法来进行调节，不要太低，也不能超过表面改性剂的分解温度。给料速度：给料速度要适中，要依原料的性质和粒度大小进行调节，给料速度过快，粉体