根据应用的需要有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质,如表面组成、结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性、光性、吸附和反应特征等,称为粉体表面改性,又称表面修饰。粉体表面修饰改性是粉体材料制备、加工和应用过程中的关键技术,可改善或提高粉体原料的应用性能或赋予其新的功能,对于现代复合材料、涂料或涂层材料、吸附与催化材料、环境材料,以及超细粉体和纳米粉体的制备和应用具有重要意义。
粉体表面修饰改性方法包括表面物理涂敷、化学包覆、无机沉淀包覆、机械力化学改性、胶囊化改性、高能表面改性等。
①表面物理涂敷,利用与粉体表面无化学反应的表面改性剂,如高聚物、树脂等进行表面处理,包覆物与粒子间依靠物理方法或范德华力而连接,该方法几乎适用于各类无机离子的表面改性。此方法主要利用无机化合物或有机化合物对粒子进行表面包覆,由于包覆层的存在,粒子间产生了空间位阻斥力,对于粒子再团聚起到了减弱或屏蔽作用。用于包覆改性的改性剂有表面活性剂、超分散剂、无机物等。无机粉体经物理涂敷后,其分散性、与有机物的相容性均可得到显著提高。
②化学包覆,利用有机物分子中的官能团在粉体表面进行的化学反应或化学吸附对颗粒表面进行包覆改性,除利用表面官能团改性外,还包括利用游离基反应、螯合反应、溶胶吸附等进行表面包覆改性。化学包覆方法是最常用的粉体改性方法,一般采用湿法工艺,典型方法有溶胶-凝胶法、异相凝聚法等。溶胶-凝胶包覆法是将微粉的悬浮液引入相应的溶胶中,调节溶液的pH或其他离子、分子的活性,然后在一定温度下凝胶化,经干燥、煅烧后获得改性粉体。在溶胶-凝胶化过程中需要加入稳定剂,通过调节稳定剂与微粉的比例可以获得不同粒径和粒度分布的粒子。异相凝聚法是根据表面带有相反电荷的微粒会相互吸引而凝聚的原理提出。当一种微粒的粒径远小于另一种带异种电荷微粒的粒径,在两种微粒在凝聚过程中,小微粒就会吸附在大微粒的外表面,形成包覆层。一般通过调节溶液温度及pH来改变微粒表面电荷,实现对微粒表面进行包覆改性。
③无机沉淀包覆,通过向溶液中加入沉淀剂或引发体系中沉淀剂的生成,使改性离子发生沉淀反应,在颗粒表面析出,对颗粒进行包覆。依据沉淀方式的不同,可以分为直接沉淀法、共沉淀法、水解法、水热法、均相沉淀法等。直接沉淀法通过溶液中离子的沉淀反应直接生成包覆物;共沉淀法通过控制沉淀反应,使溶液中多种金属离子以一定的组成和顺序在被包覆颗粒表面沉淀析出;水解法调节体系pH,控制离子水解生成沉淀包覆物;水热法借助于水热条件下被改性颗粒表面的高活性,在表面淀积某些常温常压下难以与颗粒形成牢固致密包覆的改性剂;均相沉淀法为了改善沉淀剂直接加入导致包覆不均匀的缺点,引发体系中的化学反应生成沉淀剂,通过化学反应条件的调节控制沉淀剂的释放速度,避免局部沉淀剂浓度的不均匀,从而有利于颗粒均匀致密的包覆。
④机械力化学改性,利用粉碎、摩擦等强烈机械力有目的地激活颗粒表面,在机械力作用下粉体晶格发生位移、晶型发生变化、体系内能增大、温度升高,促使粒子发生熔解、热分解、产生游离基或离子等,粒子与有机物或其他无机物的反应活性增强,促使和改性剂发生化学结合或相互附着,达到表面改性的目的。在工业生产中,无机粉体的加工研磨和表面改性是两个独立的过程。若在粉碎时同时进行表面改性,不仅能利用粉碎的机械力来强化表面改性效果,而且改性剂也起到一定的助磨作用,从而简化工艺流程。
⑤胶囊化改性,又称微乳液改性,是以无机粉体微粒作为核,运用原位聚合法将有机物单体聚合在粉体粒子表面,得到复合的胶囊化粒子。与表面包覆改性不同,其包覆的膜是均匀的。胶囊壳的作用是控制核内物质的放出条件,并起到隔离和屏蔽的作用。这种方法主要用在现代医药领域,其独特的缓释作用赋予无机粉体新的特殊功能。
⑥高能表面改性,采用超声波、辐照处理、热处理、等离子体等手段对无机粉体进行表面改性。主要是利用其强度高、易集中能量的特点。作用时分子间能产生强烈的振动,这可以使物质的特性和状态发生变化,从而达到对无机粉体表面改性的目的。此外因为作用时产生的局部高温高压、强冲击波等,较大程度地弱化了微粒间的相互作用,有效地防止微粒团聚,使之充分分散。此法改性后的粒子大小均一,且不易团聚,粒径大小可准确控制。高能改性由于较少使用改性剂,因此不存在环境污染的问题。但此技术较复杂且成本高,改性效果不够稳定,主要用于纤维等增强材料的改性。