無機粉體表面改性技術探討

張仕奇　趙佳龍　魏鑫

摘 要：對無機粉體的改性方法進行了介紹，探討了無機粉體表面改性技術進展，并對其未來的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：無機粉體；表面改性；技術

1 無機粉體表面改性方法介紹

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

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在顆粒表面吸附或化學反應對顆粒表面進行改性。所用表面改性劑主要有偶聯劑（硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機絡合物、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。

沉淀反應包覆是利用化學沉淀反應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，就是通過沉淀反應實現的，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。

機械力化學改性是利用粉體超細粉碎及其他強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結構復雜或表面無定形化，增強它與有機物或其他無機物的反應活性。以機械力化學原理為基礎發展起來的機械融合技術，是一種對無機顆粒進行復合處理或表面改性（如表面復合、包覆、分散）的方法。

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

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

2無機粉體表面改性技術進展

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展為：

1）硅烷偶聯劑。產品開發速度加快，產品品種、質量明顯提高，生產能力不僅能滿足中國國內所需，還出口海外市場。

2）鋁酸酯偶聯劑。繼膏狀產品之后，相繼開發了液態、水溶性產品和兼具助磨和改性作用的新產品；應用范圍擴大，使用更加方便。

3）鈦酸酯偶聯劑。品種增多，開發了水溶性產品以及針對特定用途的專用分散改性劑和復合改性劑，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聚改性劑等。

此外，還有專用于超細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域之一。早在20世紀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，除了有機膨潤土產品品種和生產技術不斷改進之外，聚合物/蒙脫土納米復合材料、膨潤土或蒙脫石的無機柱撐或交聯等的研究和產業化也取得了顯著進展。特別是聚合物/蒙脫土納米復合材料已進入產業化階段，對新型聚合物/黏土納米復合材料的發展有重要推動作用；此外，高嶺土插層納米復合材料、蛭石插層改性等層狀硅酸鹽礦物的插層改性技術研發也取得一些有價值的進展。

2.3表面無機復合改性

粉體的表面無機復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和功能材料制備技術的熱點研發方向之一。目前取得的主要進展是納米金屬或氧化物、氫氧化物、碳酸鹽表面改性的復合礦物粉體材料，如金屬/粉煤灰空心微珠復合粉體、金屬氧化物/硅灰石復合粉體、納米TiO2/多孔礦物復合粉體（TiO2/硅藻土、TiO2/蛋白土、TiO2/凹凸棒石等）、金屬氧化物/重晶石復合粉體、金屬氧化物/云母復合粉體等。表面無機復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）和化學法（如均勻沉淀、溶膠凝膠）等，其中一些復合粉體材料已實現產業化或已進行中試。表面無機復合改性涉及應用廣泛的新型功能材料的開發，具有重要的商業化價值。采用磁控濺射技術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用價值顯著提高，在航空航天材料領域及其他新材料領域有著良好的應用前景

3 粉體表面改性技術的發展趨勢

無機粉體表面改性是應現代高技術、新材料產業，特別是功能材料產業發展而興起的新技術，適應現代社會環保、節能、安全、健康的需求。無機粉體表面改性產品是最具發展前景的功能粉體材料，預計未來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，筆者認為未來粉體表面改性技術的主要發展趨勢為：

1）發展適用性廣、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、單位產品能耗和磨耗較低、無粉塵污染的先進工藝與裝備集成，并在此基礎上采用先進的人工智能技術對主要工藝參數和改性劑用量進行在線自動調控，以實現表面改性劑在顆粒表面的單分子層吸附、穩定產品質量和方便操作。

2）在現有表面改性劑的基礎上、采用先進技術降低生產成本，尤其是各種偶聯劑的成本；同時采用先進化學、高分子、生化和化工科學技術和計算機技術，研發應用性能好、成本低、在某些應用領域有專門性能或特殊功能，并能與粉體表面和基質材料形成牢固結合的新型表面改性劑。

3）在多學科綜合的基礎上，根據目的材料的性能要求“設計”粉體表面；運用現代科學技術，特別是采用先進計算技術及智能技術輔助設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性和實用性。

4）表面產品的直接表征和測試方法將更加的科學和規范，在相關國家標準的基礎上，按照表面改性的目的和用途等，建立評價的指標、標準和方法。

參考文獻：

[1]湯國虎， 葉巧明， 連紅芳. 無機納米粉體表面改性研究現狀[J]. 材料導報， 2003， 17（f09）：33-35.

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