影響粉體表面改性效果的主要因素
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2007年01月29日 11:43
1．粉體原料的性質(zhì)
粉體原料的比表面積、粒度大小和粒度分布、比表面能、表面物理化學(xué)性質(zhì)、團(tuán)聚性等均對(duì)改性效果有影響，是選擇表面改性劑配方、工藝方法和設(shè)備的重要考察因素之一。
在忽略粉體孔隙率的情況下，粉體的比表面積與其粒度大小呈反比關(guān)系。也即，粒度越細(xì)，粉體的比表面積越大。在要求一定單分子層包覆率和使用同一種表面改性劑的情況下，粉體的粒度越細(xì)，比表面積越大，表面改性劑的用量也越大。
粉體的表面物理化學(xué)性質(zhì)，如表面電性、潤(rùn)濕性、官能團(tuán)或基團(tuán)、溶解或水解特性等直接影響其與表面改性劑分子的作用，從而影響其表面改性的效果。同時(shí)，表面物理化學(xué)性質(zhì)也是選擇表面改性工藝方法的重要考量因素之一。
比表面能大的粉體物料，一般傾向于團(tuán)聚，這種團(tuán)聚體如果不能在表面改性過(guò)程中解聚，就會(huì)影響表面改性后粉體產(chǎn)品的應(yīng)用性能。因此，團(tuán)聚傾向很強(qiáng)的粉體在與表面改性劑作用前進(jìn)行解團(tuán)聚。
2．表面改性劑配方
粉體的表面改性在很大程度上是通過(guò)表面改性劑在粉體表面的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,表面改性劑的配方（品種、用量和用法）對(duì)粉體表面的改性效果和改性后產(chǎn)品的應(yīng)用性能有重要影響。表面改性劑配方具有針對(duì)性很強(qiáng)，即具有“一把鑰匙開(kāi)一把鎖”的特點(diǎn)。表面改性劑的配方包括選擇品種、確定用量和用法等內(nèi)容。
3． 表面改性劑品種
選擇表面改性劑品種的主要考慮因素是粉體原料的性質(zhì)、產(chǎn)品的用途或應(yīng)用領(lǐng)域以及工藝、價(jià)格和環(huán)保等因素。
粉體原料的性質(zhì)主要是酸、堿性、表面結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、吸附和化學(xué)反應(yīng)特性等，應(yīng)盡可能選擇能與粉體顆粒表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附的表面改性劑，因?yàn)槲锢砦皆谄浜髴?yīng)用過(guò)程中的強(qiáng)烈攪拌或擠壓作用下容易脫附。例如，石英、長(zhǎng)石、云母、高嶺土等呈酸性的硅酸鹽礦物表面可以與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行鍵合，形成較牢固的化學(xué)吸附；但硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑一般不能與碳酸鹽類(lèi)堿性礦物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附，而鈦酸酯和鋁酸酯類(lèi)偶聯(lián)劑則在一定條件下和一定程度上可以與碳酸鹽類(lèi)堿性礦物進(jìn)行化學(xué)吸附作用。因此，硅烷偶聯(lián)劑一般不宜用作碳酸鹽類(lèi)堿性礦物粉體，如輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣的表面改性劑。
產(chǎn)品的用途是選擇表面改性劑zui重要的考慮因素。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ垠w應(yīng)用性能的技術(shù)要求不同，如表面潤(rùn)濕性、分散性、pH、遮蓋力、耐候性、光澤、抗菌性、防紫外線等，這就是要根據(jù)用途來(lái)選擇表面改性劑品種的原因之一。例如，用于各種塑料、橡膠、膠粘劑、油性或溶劑型涂料的無(wú)機(jī)粉體（填料或顏料）要求表面親油性好，即與有機(jī)高聚物基料有良好的親和性或相容性，這就要求選擇能使無(wú)機(jī)粉體表面疏水親油的表面改性劑；對(duì)于陶瓷坯料中使用的無(wú)機(jī)顏料不僅要求其在干態(tài)下的有良好的分散性，而且要求其與無(wú)機(jī)坯料的親和性好，能夠在坯料中均勻分散；對(duì)于水性漆或涂料中使用的無(wú)機(jī)粉體（填料或顏料）的表面改性劑則要求改性后粉體在水相中的分散性、沉降穩(wěn)定性和配伍性好。對(duì)于無(wú)機(jī)表面改性劑則主要根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ垠w材料功能性的要求來(lái)選擇，例如，要使鈦白粉的耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性好，就要采用SiO2和Al2O3進(jìn)行表面包覆（膜），要使白云母顏料具有良好的珠光效應(yīng)就要采用TiO2進(jìn)行表面包覆（膜）。同時(shí)，不同應(yīng)用體系的組份不同，選擇表面改性劑時(shí)還須考慮與應(yīng)用體系組份的相容性和配伍性，避免因表面改性劑而導(dǎo)致體系中其它組份功能的失效。此外，選擇表面改性劑時(shí)還要考慮應(yīng)用時(shí)的工藝因素，如溫度、壓力以及環(huán)境因素等。所有的有機(jī)表面改性劑都會(huì)在一定的溫度下分解，如硅烷偶聯(lián)劑的沸點(diǎn)依品種不同在100～310°C之間變化。因此，所選擇的表面改性劑的分解溫度或沸點(diǎn)高于應(yīng)用時(shí)的加工溫度。
改性工藝也是選擇表面改性劑的重要考慮因素之一。目前的表面改性工藝主要采用干法和濕法二種。對(duì)于干法工藝不必考慮其水溶性的問(wèn)題，但對(duì)于濕法工藝要考慮表面改性劑的水溶性，因?yàn)橹挥心苋苡谒拍茉跐袷江h(huán)境下與粉體顆粒充分地接觸和反應(yīng)。例如碳酸鈣粉體干法表面改性時(shí)可以用硬脂酸（直接添加或用有機(jī)溶劑溶解后添加均可），但在濕法表面改性時(shí)，如直接添加硬脂酸，不僅難以達(dá)到預(yù)期的表面改性效果（主要是物理吸附），而且利用率低，過(guò)濾后表面改性劑流失嚴(yán)重，濾液中有機(jī)物排放超標(biāo)。其它類(lèi)型的有機(jī)表面改性劑也有類(lèi)似的情況。因此，對(duì)于不能直接水溶而又必須在濕法環(huán)境下使用的表面改性劑，必須預(yù)先將其皂化、銨化或乳化，使其能在水溶液中溶解和分散。
zui后，選擇表面改性劑還要考慮價(jià)格和環(huán)境因素，在滿足應(yīng)用性能要求或應(yīng)用性能優(yōu)化的前提下，盡量選用價(jià)格較便宜的表面改性劑，以降低表面改性的成本。同時(shí)要注意選擇不對(duì)環(huán)境造成污染的表面改性劑。
4． 表面改性劑的用量
理論上在顆粒表面達(dá)到單分子層吸附所需的用量為*用量，該用量與粉體原料的比表面積和表面改性劑分子的截面積有關(guān)，但這一用量不一定是100%覆蓋時(shí)的表面改性劑用量，對(duì)于無(wú)機(jī)表面包覆改性，不同的包覆率和包膜層厚度可能表現(xiàn)出不同的特性，如顏色、光澤等。因此，實(shí)際*用量的確定還是要通過(guò)改性試驗(yàn)和應(yīng)用性能試驗(yàn)來(lái)確定，這是因?yàn)楸砻娓男詣┑挠昧坎粌H與表面改性時(shí)表面改性劑的分散和包覆的均勻性有關(guān)，還與應(yīng)用體系對(duì)粉體原料的表面性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)的具體要求有關(guān)。
對(duì)于濕法改性，表面改性劑在粉體表面的實(shí)際包覆量不一定等于表面改性劑的用量，因?yàn)榭偸怯幸徊糠直砻娓男詣┪茨芘c粉體顆粒作用，在過(guò)濾時(shí)被流失掉了。因此，實(shí)際用量要大于達(dá)到單分子層吸附所需的用量。
5．使用方法
表面改性劑的使用方法是表面改性劑配方的重要組成部分之一，對(duì)粉體的表面改性效果有重要影響，好的使用方法可以提高表面改性劑的分散程度和與粉體的表面改性效果，反之，使用方法不當(dāng)就可能使表面改性劑的用量增加，改性效果達(dá)不到預(yù)期目的。
表面改性劑的用法包括配制、分散和添加方法以及使用二種以上表面改性劑時(shí)加藥順序。
表面改性劑的配制方法要依表面改性劑的品種、改性工藝和改性設(shè)備而定。
不同的表面改性劑需要不同的配制方法，例如，對(duì)于硅烷偶聯(lián)劑，與粉體表面起鍵合作用的是硅醇，因此，要達(dá)到好的改性效果（化學(xué)吸附）在添加前進(jìn)行水解。對(duì)于使用前需要稀釋和溶解的其它有機(jī)表面改性劑，如鈦酸酯、鋁酸酯、硬脂酸等要采用相應(yīng)的有機(jī)溶劑，如無(wú)水乙醇、甲苯、乙醚、丙酮等進(jìn)行稀釋和溶解。對(duì)于在濕法改性工藝中使用的硬脂酸、鈦酸酯、鋁酸酯等不能直接溶于水的有機(jī)表面改性劑，要預(yù)先將其皂化、銨化或乳化為能溶于水的產(chǎn)物。
添加表面改性劑的方法是使表面改性劑與粉體均勻和充分的接觸，以達(dá)到表面改性劑的高度分散和表面改性劑在粒子表面的均勻包覆。因此，采用與粉體給料速度連動(dòng)的連續(xù)噴霧或滴（添）加方式，當(dāng)然只有采用連續(xù)式的粉體表面改性機(jī)才能做到連續(xù)添加表面改性劑。
無(wú)機(jī)表面改性劑的配制方法比較特殊，需要考慮溶液pH、濃度、溫度、助劑等多種因素。例如，白云母表面包覆二氧化鈦時(shí)，要預(yù)先將硫酸氧鈦或四氯化鈦進(jìn)行水解。
在選用二種以上的表面改性劑對(duì)粉體進(jìn)行處理時(shí)，加藥順序也對(duì)zui終表面改性效果有一定影響。在確定表面改性劑的添加順序時(shí)，首先要分析二種表面改性劑各自所起的作用和與粉體表面的作用方式（是物理吸附為主還是化學(xué)吸附為主）。一般來(lái)說(shuō)先加起主要作用和以化學(xué)吸附為主的表面改性劑，后加起次要作用和以物理吸附為主的表面改性劑。例如混合使用偶聯(lián)劑和硬脂酸時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)先加偶聯(lián)劑，后加硬脂酸，因?yàn)樘砑佑仓岬闹饕康氖菑?qiáng)化粉體的疏水親油性以及減少偶聯(lián)劑的用量、降低改性作業(yè)的成本。
6．表面改性工藝
表面改性劑配方確定以后，表面改性工藝是決定表面改性效果zui重要的影響因素之一。表面改性工藝要滿足表面改性劑的應(yīng)用要求或應(yīng)用條件，對(duì)表面改性劑的分散性好，能夠?qū)崿F(xiàn)表面改性劑在粉體表面均勻且牢固的包覆；同時(shí)要求工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)可控性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且能耗低、污染小。因此，選擇表面改性工藝時(shí)至少要考慮以下因素：
a.表面改性劑的特性，如水溶性、水解性、沸點(diǎn)或分解溫度等；
b.前段粉碎或粉體制備作業(yè)是濕法還是干法？如果是濕法作業(yè)可考慮采用濕法改性工藝；
c.表面改性方法。方法決定工藝，如對(duì)于表面化學(xué)包覆，既可采用干法，也可采用濕法工藝；但對(duì)于無(wú)機(jī)表面改性劑的沉淀包膜，只能采用濕法工藝。
以下對(duì)目前采用各種有機(jī)表面改性劑對(duì)無(wú)機(jī)粉體（填料和顏料）進(jìn)行表面化學(xué)改性的各種工藝的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)述。
?。?）干法工藝
干法表面改性工藝簡(jiǎn)單，適用于各種有機(jī)表面改性劑，特別是非水溶性的各種表面改性劑。在干法改性工藝中，主要工藝參數(shù)是改性溫度、粉體與表面改性劑的作用或停留時(shí)間。干法工藝中表面改性劑的分散和表面包覆的均勻性在很大程度上取決于表面改性設(shè)備。
（2）濕法工藝
濕法工藝具有表面改性劑分散好、表面包覆均勻等特點(diǎn)，但需要后續(xù)脫水（過(guò)濾和干燥）作業(yè)，適用于各種可水溶或水解的有機(jī)表面改性劑、無(wú)機(jī)表面改性劑以及前段為濕法制粉工藝而后段又需要干燥的場(chǎng)合。在濕法改性工藝中，主要工藝參數(shù)是溫度、漿料濃度、反應(yīng)時(shí)間、干燥溫度和干燥時(shí)間等。
（3）粉碎與表面改性合二為一工藝
其特點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化工藝，此外某些表面改性劑具有一定的助磨性，可在一定程度上提高粉碎效率。不足之處是溫度不好控制，難以滿足改性的工藝技術(shù)要求，而且，由于粉碎過(guò)程中包覆好的顆粒不斷被粉碎，產(chǎn)生新的表面，顆粒包覆不均勻，包覆率不高；此外，如果粉碎設(shè)備的散熱不好，超細(xì)粉碎過(guò)程中局部的過(guò)高溫升可能在一定程度上使表面改性劑分解或分子結(jié)構(gòu)被破壞。
?。?）干燥與表面改性合二為一工藝
其特點(diǎn)也是可以簡(jiǎn)化工藝，但干燥溫度一般在200°以上，干燥過(guò)程中加入的低沸點(diǎn)表面改性劑可能還來(lái)不及與與粉體表面作用就隨水分子一起蒸發(fā)，在水分蒸發(fā)后出料前添加表面改性劑雖然可以避免表面改性劑的蒸發(fā)，但停留時(shí)間較短，難以確保均勻牢固的包覆。
濕法表面改性工藝雖然也要經(jīng)過(guò)干燥，但是干燥之前表面改性劑已吸附于顆粒表面，排擠了顆粒表面的水化膜，因此在干燥時(shí)，首先蒸發(fā)掉的是顆粒外圍的水分。
7．表面改性設(shè)備
粉體的表面改性或表面處理技術(shù)主要包括表面改性方法、工藝、表面改性劑及其配方、表面改性設(shè)備等。其中在表面改性工藝和改性劑配方確定的情況下，表面改性設(shè)備就成為影響粉體表面改性或表面處理效果的關(guān)鍵因素。
表面改性設(shè)備性能的優(yōu)劣，不在其轉(zhuǎn)速的高低或結(jié)構(gòu)復(fù)雜與否，關(guān)鍵在于以下基本工藝特性：
?。?） 對(duì)粉體及表面改性劑的分散性
?。?） 使粉體與表面改性劑的接觸或作用的機(jī)會(huì)
?。?） 改性溫度和停留時(shí)間
（4） 單位產(chǎn)品能耗和磨耗
?。?） 粉塵污染
?。?） 設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
高性能的表面改性機(jī)應(yīng)能夠使粉體及表面改性劑的分散性好、粉體與表面改性劑的接觸或作用機(jī)會(huì)均等，以達(dá)到均勻的單分層吸附、減少改性劑用量；同時(shí)，能方便調(diào)節(jié)改性溫度和反應(yīng)或停留時(shí)間，以達(dá)到牢固包覆和使溶劑或稀釋劑*蒸發(fā)（如果使用了溶劑或稀釋劑）；此外，單位產(chǎn)品能耗和磨耗應(yīng)較低，無(wú)粉塵污染（粉體外溢不僅污染環(huán)境，惡化工作條件，而且損失物料，增加了生產(chǎn)成本），設(shè)備操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行平穩(wěn)。
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