粉末颗粒的分散与改性精选PPT.ppt

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1、关于粉末颗粒的分散与改性第1页，讲稿共38张，创作于星期二影响粉体性能的基本因素影响粉体性能的基本因素 l粉末材料的化学成分粉末材料的化学成分l粉末材料的晶体结构粉末材料的晶体结构l粉末材料的形貌特征粉末材料的形貌特征 粒径粒径 粒径分布粒径分布 形状形状l粉末材料的表面性质粉末材料的表面性质 表面能表面能 表面张力表面张力 表面化学位表面化学位 表面官能团表面官能团 表面酸碱性表面酸碱性第2页，讲稿共38张，创作于星期二2.1 粉体的表面现象与表面能n粉体颗粒的表面现象粉体颗粒的表面现象n不饱和性（断面）不饱和性（断面）n非均质性（内外原子或离子能量状态不同）非均质性（内外原子或离子能量状态

2、不同）n粉体颗粒的表面能与表面活性粉体颗粒的表面能与表面活性n表面能（表面质点有额外的势能）表面能（表面质点有额外的势能）n表面活性（颗粒小，不饱和质点多，提高表面表面活性（颗粒小，不饱和质点多，提高表面活性）活性）第3页，讲稿共38张，创作于星期二n表面能表面能颗粒表面能的数量不仅取决于比表面积的大小，还取决于断颗粒表面能的数量不仅取决于比表面积的大小，还取决于断面的几何形状、性质和所处的位置。颗粒的粒度变细后，颗面的几何形状、性质和所处的位置。颗粒的粒度变细后，颗粒的表面能和表面活性将大大增加。粒的表面能和表面活性将大大增加。第4页，讲稿共38张，创作于星期二2.2粉末颗粒的分散粉末颗粒的

3、分散n悬浮体系：悬浮体系：固体颗粒在气相中悬浮、固体颗粒在液相中悬浮；固体颗粒在气相中悬浮、固体颗粒在液相中悬浮；液相颗粒在气相中悬浮、液相颗粒在液相中悬浮。液相颗粒在气相中悬浮、液相颗粒在液相中悬浮。n悬浮颗粒的分散性影响粉体工程单元操作和产品质量以及粉悬浮颗粒的分散性影响粉体工程单元操作和产品质量以及粉 体粒度的测量。体粒度的测量。第5页，讲稿共38张，创作于星期二第6页，讲稿共38张，创作于星期二2.2.1 粉末颗粒在粉末颗粒在空气空气中的分散中的分散 粉末颗粒粒径很小时，极易在空气中粘结成团，特别是微米、粉末颗粒粒径很小时，极易在空气中粘结成团，特别是微米、亚微米级的超细粉末，这种现象

4、对粉体的加工过程极为不利。亚微米级的超细粉末，这种现象对粉体的加工过程极为不利。第7页，讲稿共38张，创作于星期二一、颗粒之间的作用力一、颗粒之间的作用力 1.颗粒分子间的作用力颗粒分子间的作用力 球体间球体间 球与平板球与平板 2.颗粒间的静电作用力颗粒间的静电作用力 3.颗粒在湿空气中的粘结力颗粒在湿空气中的粘结力 液桥粘结力液桥粘结力 4.磁性力磁性力 -单畴颗粒（粒径在单畴临界尺寸以下，只含有单畴颗粒（粒径在单畴临界尺寸以下，只含有 一个磁畴的颗粒）一个磁畴的颗粒）5.颗粒表面不平滑引起的机械咬合力颗粒表面不平滑引起的机械咬合力 第8页，讲稿共38张，创作于星期二粉末颗粒在空气中的分散

5、粉末颗粒在空气中的分散颗粒之间的作用力颗粒之间的作用力 颗粒分子间的作用力范德华力颗粒分子间的作用力范德华力 a)小分子之间力作用距离极短，约为小分子之间力作用距离极短，约为1nm，它是一个典型的短程力，与分子间距的，它是一个典型的短程力，与分子间距的7次方成反比，。次方成反比，。b)极大量分子集合体构成的体系，如超细颗粒，随着颗粒间距离的增大，其分子间的作用力的衰极大量分子集合体构成的体系，如超细颗粒，随着颗粒间距离的增大，其分子间的作用力的衰减程度明显变缓。这是因为存在着多个分子的综合作用之故。超细颗粒间分子的有效间距可达减程度明显变缓。这是因为存在着多个分子的综合作用之故。超细颗粒间分子

6、的有效间距可达50nm，可看成长程力。，可看成长程力。对于半径分别为对于半径分别为R1，R2的两个球体，分子作用力的两个球体，分子作用力Fm为：为：对于球与平板，对于球与平板，A是是Hamaker常数，单位常数，单位J。Hamaker常数是物质的一种特征常数，各种物质的常数是物质的一种特征常数，各种物质的Hamaker常数常数A不同。在真空中不同。在真空中A介于介于0.4-4.010-9J间。间。第9页，讲稿共38张，创作于星期二 第10页，讲稿共38张，创作于星期二 第11页，讲稿共38张，创作于星期二 第12页，讲稿共38张，创作于星期二颗粒间的静电作用力颗粒间的静电作用力-气态离子的扩散

7、产生气态离子的扩散产生 接触电位差引起的静电引力。颗粒与其它物体接触时，颗粒表面电荷等电量地接触电位差引起的静电引力。颗粒与其它物体接触时，颗粒表面电荷等电量地吸引对方的异电荷，从而产生接触电位差，其值可达吸引对方的异电荷，从而产生接触电位差，其值可达0.5V。接触电位差引起的。接触电位差引起的静电引力可由下式计算静电引力可由下式计算:Fe=4sS s为表面电荷密度，为表面电荷密度，s=q/S,q为实测电量，为实测电量，S为接触面积。为接触面积。由镜像力产生的静电引力。由镜像力产生的静电引力。镜象力实际上是一种电荷感应力。其大小是有下式确定：镜象力实际上是一种电荷感应力。其大小是有下式确定：F

8、im镜象力，单位镜象力，单位N；Q颗粒电荷，单位颗粒电荷，单位C；l电荷中心距离，电荷中心距离，l=2(R+H+/2-D-)；R颗粒半径。颗粒半径。库仑力：带电颗粒之间的静电引力库仑力：带电颗粒之间的静电引力 第13页，讲稿共38张，创作于星期二颗粒在湿空气中的粘结力颗粒在湿空气中的粘结力当空气的相对湿度超过当空气的相对湿度超过65时，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，颗时，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，颗粒间因形成液桥而大大增强了粘结力。粒间因形成液桥而大大增强了粘结力。液桥粘结力液桥粘结力Fk主要由液桥曲面而产生的毛细压力及表面张力引起的附着力组主要由液桥曲面而产生的毛细压力及表面张力

9、引起的附着力组成，可用下式表示成，可用下式表示:第14页，讲稿共38张，创作于星期二机械分散：是指用机械力把颗粒团聚团打散。机械分散的必要条件是机械力机械分散：是指用机械力把颗粒团聚团打散。机械分散的必要条件是机械力（通常是指流体的剪切力及压差力）应大于颗粒间的黏着力。（通常是指流体的剪切力及压差力）应大于颗粒间的黏着力。干燥：由于潮湿空气中颗粒间形成液桥是颗粒团聚的重要原因，而液桥力是分子间作用干燥：由于潮湿空气中颗粒间形成液桥是颗粒团聚的重要原因，而液桥力是分子间作用力的十倍或几十倍，因此，杜绝液桥的产生后破坏业已形成的液桥是保证颗粒分散的重力的十倍或几十倍，因此，杜绝液桥的产生后破坏业已

10、形成的液桥是保证颗粒分散的重要途径。要途径。工程上一般采用加热烘干法，比如用红外线、微波、喷雾干燥等手段加热微细颗粒，工程上一般采用加热烘干法，比如用红外线、微波、喷雾干燥等手段加热微细颗粒，降低粉体的水分含量可保证物料的松散。降低粉体的水分含量可保证物料的松散。疏水处理：对颗粒表面进行疏水处理，减小水对颗粒的润湿性。比如对玻疏水处理：对颗粒表面进行疏水处理，减小水对颗粒的润湿性。比如对玻璃表面的硅烷化处理可使水对玻璃的润湿由璃表面的硅烷化处理可使水对玻璃的润湿由0提高到提高到118，因而可有效地抑，因而可有效地抑制玻璃珠表面与平板玻璃间液桥的产生，降低相互间的作用力，减少颗粒团聚制玻璃珠表面

11、与平板玻璃间液桥的产生，降低相互间的作用力，减少颗粒团聚的倾向。的倾向。静电分散：对于同质颗粒，如果表面荷电性质相同，静电力起到排斥作用，静电分散：对于同质颗粒，如果表面荷电性质相同，静电力起到排斥作用，因此可用静电力进行颗粒分散。因此可用静电力进行颗粒分散。其方法是将颗粒群连续通过电晕放电形成的离子电帘，从而使颗粒表面其方法是将颗粒群连续通过电晕放电形成的离子电帘，从而使颗粒表面荷电，其最终荷电量与电场强度和颗粒的介电常数相关。荷电，其最终荷电量与电场强度和颗粒的介电常数相关。二、颗粒在空气中的分散方法二、颗粒在空气中的分散方法 第15页，讲稿共38张，创作于星期二第16页，讲稿共38张，创

12、作于星期二第17页，讲稿共38张，创作于星期二2.2.2固体颗粒在液体中的分散固体颗粒在液体中的分散 固体颗粒在液体中的分散过程，本质上受两种基本作用支配，固体颗粒在液体中的分散过程，本质上受两种基本作用支配，即液体对固体颗粒的浸润及液体中固体颗粒间的相互作用。即液体对固体颗粒的浸润及液体中固体颗粒间的相互作用。第18页，讲稿共38张，创作于星期二n 液体对固体颗粒的浸润液体对固体颗粒的浸润一圆柱体颗粒悬浮与液体的表面。如颗粒表面张力及润湿角足够大，颗粒将稳定地处一圆柱体颗粒悬浮与液体的表面。如颗粒表面张力及润湿角足够大，颗粒将稳定地处于液体表面而不下沉。于液体表面而不下沉。悬浮于表面的条件为

13、：悬浮于表面的条件为：4dglsind2H(pl)gd2him l g 式中式中d 为圆柱体颗粒的横截面直径，为圆柱体颗粒的横截面直径，H是颗粒高，是颗粒高，l 是液体密度，是液体密度，p 是颗粒密是颗粒密度，度，gl是液体表面张力，是液体表面张力，是润湿角，是润湿角，him是颗粒表面的沉没深度。是颗粒表面的沉没深度。第19页，讲稿共38张，创作于星期二n 颗粒间的相互作用力颗粒间的相互作用力分子间的作用力：当微粒在液体中时候，必须考虑液体分子与颗粒分子群的作用，以及这种作用对颗粒间分子间的作用力：当微粒在液体中时候，必须考虑液体分子与颗粒分子群的作用，以及这种作用对颗粒间分子作用力的影响。分

14、子作用力的影响。Hamaker 常数：常数：A132=(A111/2A331/2)(A221/2A331/2)FMA132R/12h2 不同质颗粒不同质颗粒：A33介于介于A22与与A11间间 则则A132为负，为负，FM为正，为正，排斥力。排斥力。同质颗粒：同质颗粒：A11A22 A132为正，为正，FM为负，为负，恒为吸引力。恒为吸引力。双电层作用力：当固体与液体接触时，可以是固体双电层作用力：当固体与液体接触时，可以是固体 从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子 本身的电离作用使离子进入溶液，以致使固液两相本身的电离作用使离子进入溶液，以

15、致使固液两相 分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层 的结构。的结构。固液之间可以发生相对移动处（即固相连带束缚的固液之间可以发生相对移动处（即固相连带束缚的 溶剂化层和溶液之间）的电势称为溶剂化层和溶液之间）的电势称为电位（电位（Zeta电位）。电位）。同质固体颗粒：双点层静电作用力恒表现为排斥力，同质固体颗粒：双点层静电作用力恒表现为排斥力，因此它是防止颗粒相互团聚的主要因此它是防止颗粒相互团聚的主要 原因之一。原因之一。不同质的颗粒：不同质的颗粒：Zeta电位为不同值，甚至不同号，对于电位电位为不同值，甚至不同号，对于电位 异号的颗粒，静

16、电作用力则表现为吸引力，异号的颗粒，静电作用力则表现为吸引力，即使电位同号，若两者绝对值相差很大，即使电位同号，若两者绝对值相差很大，颗粒间仍可出现静电引力。颗粒间仍可出现静电引力。第20页，讲稿共38张，创作于星期二溶剂化膜作用力：颗粒在液体中引起其周围液体分子结构的变化，称为结构溶剂化膜作用力：颗粒在液体中引起其周围液体分子结构的变化，称为结构化。对于极性表面的颗粒，极性液体分子受颗粒的很强作用，在颗粒周围形化。对于极性表面的颗粒，极性液体分子受颗粒的很强作用，在颗粒周围形成一种有序排列并具有一定机械强度的溶剂化膜。对非极性表面的颗粒，极成一种有序排列并具有一定机械强度的溶剂化膜。对非极性

17、表面的颗粒，极性液体分子将通过自身的结构调整而在颗粒周围形成具有排斥颗粒作用的另性液体分子将通过自身的结构调整而在颗粒周围形成具有排斥颗粒作用的另一种溶剂化膜。一种溶剂化膜。水的溶剂膜作用力水的溶剂膜作用力FS可由下式给出可由下式给出 Fs=K exp(-h/)为体相水中氢键键长，为体相水中氢键键长，h是溶剂膜厚度，是溶剂膜厚度，K是系数。是系数。极性表面：极性表面：K0，FS为排斥力为排斥力 非极性表面：非极性表面：K0，FS为吸引力为吸引力 第21页，讲稿共38张，创作于星期二高分子聚合物吸附层的空间位阻效应：高分子聚合物吸附层的空间位阻效应：当颗粒表面吸附有机或无机聚合物时，聚合物吸附层

18、将在颗粒接近时产生一种当颗粒表面吸附有机或无机聚合物时，聚合物吸附层将在颗粒接近时产生一种附加的作用，称为空间位阻效应。当吸附层牢固且相当致密，有良好溶剂化性质附加的作用，称为空间位阻效应。当吸附层牢固且相当致密，有良好溶剂化性质时，它起对抗微粒接近及聚团的作用，此时高聚物吸附层表现出很强的空间排斥时，它起对抗微粒接近及聚团的作用，此时高聚物吸附层表现出很强的空间排斥力。虽然这种力只是当颗粒间距达到双方吸附层接触时才出现。力。虽然这种力只是当颗粒间距达到双方吸附层接触时才出现。另一种情况，当链状高分子在颗粒表面的吸附密度很低，比如小于另一种情况，当链状高分子在颗粒表面的吸附密度很低，比如小于5

19、0%或或更小，它们可以同时在两个或多个颗粒表面吸附，此时颗粒通过高分子的桥连作用而更小，它们可以同时在两个或多个颗粒表面吸附，此时颗粒通过高分子的桥连作用而聚团。这种聚团的结构疏松，密度低，强度也低，聚团中的颗粒相距较远。聚团。这种聚团的结构疏松，密度低，强度也低，聚团中的颗粒相距较远。第22页，讲稿共38张，创作于星期二颗粒的聚集状态颗粒的聚集状态DLVO理论：颗粒的聚团与分散主要取决于他们间分子吸引力与双电层静电排斥力的相对关系。理论：颗粒的聚团与分散主要取决于他们间分子吸引力与双电层静电排斥力的相对关系。当颗粒距离较大时，双电层未重叠，吸引力起主要作用，因此总势能为负值。当颗粒靠近到一定

20、距离以当颗粒距离较大时，双电层未重叠，吸引力起主要作用，因此总势能为负值。当颗粒靠近到一定距离以至双电层重叠，则排斥力起主要作用，势能显著增加，但与此同时，粒子之间的吸引力也随距离的缩短而至双电层重叠，则排斥力起主要作用，势能显著增加，但与此同时，粒子之间的吸引力也随距离的缩短而增大。当距离缩短到一定程度后，吸引力又占优势，势能便随之下降。增大。当距离缩短到一定程度后，吸引力又占优势，势能便随之下降。实际的情况远比上述理论分析复杂的多。首先颗粒间相互作用与颗粒的表面性质，特别是实际的情况远比上述理论分析复杂的多。首先颗粒间相互作用与颗粒的表面性质，特别是润湿性密切相关。其次，这种相互作用还与颗

21、粒表面覆盖的吸附层的成分、覆盖率、吸附浓润湿性密切相关。其次，这种相互作用还与颗粒表面覆盖的吸附层的成分、覆盖率、吸附浓度及厚度等有关。对于异质颗粒还可能出现分子作用力为排斥力而静电作用力为吸引力的情度及厚度等有关。对于异质颗粒还可能出现分子作用力为排斥力而静电作用力为吸引力的情况。况。第23页，讲稿共38张，创作于星期二三、固液体系中固体颗粒分散的调控三、固液体系中固体颗粒分散的调控体系的调控：相同极性原则体系的调控：相同极性原则 极性颗粒极性溶剂极性颗粒极性溶剂 非极性颗粒非极性溶剂非极性颗粒非极性溶剂分散剂的加入：分散剂的加入：无机电解质：聚磷酸钠，硅酸钠，氢氧化钠及苏打等无机电解质：聚

22、磷酸钠，硅酸钠，氢氧化钠及苏打等 作用：作用：在颗粒表面吸附，一方面显著提高颗粒表面在颗粒表面吸附，一方面显著提高颗粒表面Zeta电位值，从电位值，从 而产生强的双电层静电排斥作用。而产生强的双电层静电排斥作用。聚合物在颗粒表面的吸附层可诱发很强的空间位阻效应。聚合物在颗粒表面的吸附层可诱发很强的空间位阻效应。可增强颗粒表面对水的润湿程度，从而有效防止颗粒在水中可增强颗粒表面对水的润湿程度，从而有效防止颗粒在水中 的聚团。的聚团。表面活性剂：其分散作用主要表现为它对颗粒表面湿润性的调整。表面活性剂：其分散作用主要表现为它对颗粒表面湿润性的调整。高分子聚合物：利用它在颗粒表面的吸附膜的强化的空间

23、位阻效应。这高分子聚合物：利用它在颗粒表面的吸附膜的强化的空间位阻效应。这种分散剂要求吸附膜致密，空间位阻大，因而其用量也就大种分散剂要求吸附膜致密，空间位阻大，因而其用量也就大。机械调控：机械调控：超声分散超声分散 机械搅拌机械搅拌第24页，讲稿共38张，创作于星期二常用分散体系常用分散体系介质类别介质溶液固体颗粒分散剂极性水大多数无机盐、氧化物、硅酸盐类颗粒、煤粉、木炭、炭黑、石墨颗粒等鞣酸、亚油酸钠、草酸钠极性有机溶剂乙醇、乙二醇、丁醇、甘油+水、丙醇锰、铜、铁、钴金属粉，氧化物陶瓷粉、糖粉、淀粉、有机物粉。六偏磷酸钠等非极性有机溶剂环已烷、二甲苯、苯煤油、四氯化碳绝大多数疏水颗粒、水泥

24、、白垩、碳化钨颗粒等。亚油酸等第25页，讲稿共38张，创作于星期二2.3 粉末颗粒的表面改性粉末颗粒的表面改性 2.3.1 定义定义 用一定的方法对颗粒表面进行处理、修饰及加工，有目的地改变颗粒表面的物理、用一定的方法对颗粒表面进行处理、修饰及加工，有目的地改变颗粒表面的物理、化学性质，以满足粉末加工过程及应用的需要。化学性质，以满足粉末加工过程及应用的需要。主要方法主要方法 物理方法：机械力处理、辐射、溅射以及相结合的真空技术处理。物理方法：机械力处理、辐射、溅射以及相结合的真空技术处理。化学方法：浸泡、原位或非原位化学反应的表面吸附或沉积。化学方法：浸泡、原位或非原位化学反应的表面吸附或沉

25、积。处理目的处理目的 亲水性修饰；亲水性修饰；亲油性修饰；亲油性修饰；改变磁性；改变电性；改变光学性质；增加耐候改变磁性；改变电性；改变光学性质；增加耐候性。性。第26页，讲稿共38张，创作于星期二2.3.2 粉末颗粒的表面改性方法粉末颗粒的表面改性方法 一、物理法表面改性一、物理法表面改性 1.超声处理：改变材料的特性和状态。超声处理：改变材料的特性和状态。主要作用：清洗表面污染物；主要作用：清洗表面污染物；分解表面试剂吸附层；分解表面试剂吸附层；空化作用；空化作用；促进悬浮体结构分散；促进悬浮体结构分散；改变半导体和顺磁颗粒的性能。改变半导体和顺磁颗粒的性能。2.辐射处理：改变颗粒表面性质

26、。辐射处理：改变颗粒表面性质。3.电化学改性：改变颗粒表面成分及特性。电化学改性：改变颗粒表面成分及特性。4.等离子体表面改性：改变颗粒表面形态、结构和性质。等离子体表面改性：改变颗粒表面形态、结构和性质。第27页，讲稿共38张，创作于星期二一、物理法表面改性一、物理法表面改性超声处理：超声波可产生强烈的振动及对介质的空化，并由此诱导出热、超声处理：超声波可产生强烈的振动及对介质的空化，并由此诱导出热、光、电、化学和生物现象，甚至使材料的特性和状态发生变化。光、电、化学和生物现象，甚至使材料的特性和状态发生变化。辐射处理是将高能射线与物质相互作用，在极短的时间内将能量传递给介质，辐射处理是将高

27、能射线与物质相互作用，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，从而引起缺陷生成，辐射化学反应，热效应，使介质发生电离和激发等变化，从而引起缺陷生成，辐射化学反应，热效应，荷电效应等从而使颗粒表面性质发生变化。改变颗粒表面性质。荷电效应等从而使颗粒表面性质发生变化。改变颗粒表面性质。外加电场：外加电场：当固当固液体系（如矿物颗粒一水的矿浆）达到稳定状态时各种无机离子达到平衡，液体系（如矿物颗粒一水的矿浆）达到稳定状态时各种无机离子达到平衡，整个体系存在一个平衡电位，即矿浆电位。当通过电极施加电场作用于整个矿浆时，整个体系存在一个平衡电位，即矿浆电位。当通过电极施加电场作用于整

28、个矿浆时，各种离子的平衡被打破，矿浆的离子组成发生变化，从而引起矿物颗粒表面成分及特各种离子的平衡被打破，矿浆的离子组成发生变化，从而引起矿物颗粒表面成分及特性发生变化。性发生变化。主要作用：清洗表面污染物；主要作用：清洗表面污染物；分解表面试剂吸附层；促进空化作用；悬浮体结构分散；改变半分解表面试剂吸附层；促进空化作用；悬浮体结构分散；改变半导体和顺磁颗粒的性能导体和顺磁颗粒的性能 2.3.2 粉末颗粒的表面改性方法粉末颗粒的表面改性方法第28页，讲稿共38张，创作于星期二物理法表面改性物理法表面改性等离子体：等离子体：等离子体是由大量带正负电荷的粒子和中性粒子构成，并宏观表现为电中性，导等

29、离子体是由大量带正负电荷的粒子和中性粒子构成，并宏观表现为电中性，导电率很高的气态物质。是物质存在的第四状态。等离子体可通过高温下粒子的热电率很高的气态物质。是物质存在的第四状态。等离子体可通过高温下粒子的热运动，使分子，原子剧烈碰撞离解形成离子和电子。运动，使分子，原子剧烈碰撞离解形成离子和电子。用等离子处理粉末的方法有：用等离子处理粉末的方法有：（1）用聚合物气体的等离子体对粉末进行表面处理，在颗粒表面形成聚合物）用聚合物气体的等离子体对粉末进行表面处理，在颗粒表面形成聚合物薄膜。薄膜。（2）用非聚合物气体如）用非聚合物气体如Ar，He，H2O的等离子体处理粉末表面，除去粉的等离子体处理粉

30、末表面，除去粉末表面吸附的杂质，并在粉末表面引入各种活性基团。末表面吸附的杂质，并在粉末表面引入各种活性基团。（3）也可由颗粒表面活性自由基引发接聚合反应，从而生成大分子量）也可由颗粒表面活性自由基引发接聚合反应，从而生成大分子量的聚合物薄膜。的聚合物薄膜。第29页，讲稿共38张，创作于星期二二、化学法表面改性二、化学法表面改性包覆处理改性包覆处理改性 固相包覆改性：固相包覆改性：通常是指将常温下互无粘性也不发生化学反应的两种物质（一种是要改性的无机物颗粒，另通常是指将常温下互无粘性也不发生化学反应的两种物质（一种是要改性的无机物颗粒，另一种是无机物超细粉，也可是有机物）通过一定的处理，使一种

31、物质或几种物质包覆在颗粒表一种是无机物超细粉，也可是有机物）通过一定的处理，使一种物质或几种物质包覆在颗粒表面，从而实现表面改性的方法。面，从而实现表面改性的方法。实现固相包覆主要是靠机械力作用。对于高分子聚合物固相包覆，是使高聚物在机械力的作实现固相包覆主要是靠机械力作用。对于高分子聚合物固相包覆，是使高聚物在机械力的作用下产生裂解，结构化，环化，离子化和异构化等化学变化，然后在活性固体表面，在引发剂用下产生裂解，结构化，环化，离子化和异构化等化学变化，然后在活性固体表面，在引发剂作用下实现聚合及接枝而包覆固体颗粒表面。作用下实现聚合及接枝而包覆固体颗粒表面。液相包覆改性液相包覆改性 是指在

32、液相中通过化学反应对颗粒表面进行包覆，包覆物质包括金属氧化物，金属，是指在液相中通过化学反应对颗粒表面进行包覆，包覆物质包括金属氧化物，金属，聚合物，硫化物等。常用的液相包覆方法包括溶胶凝胶法，沉淀法，微乳液法，非聚合物，硫化物等。常用的液相包覆方法包括溶胶凝胶法，沉淀法，微乳液法，非均相凝聚法，化学镀等。均相凝聚法，化学镀等。化学气相沉积表面包覆改性化学气相沉积表面包覆改性表面化学改性表面化学改性第30页，讲稿共38张，创作于星期二2.3.3 表面改性剂表面改性剂偶联剂：偶联剂：偶联剂是两性结构物质，分子中的一部分基团可与颗粒表面的各种官能团反应，偶联剂是两性结构物质，分子中的一部分基团可与

33、颗粒表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高分子发生化学反应或物理缠绕，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高分子发生化学反应或物理缠绕，从而将粉体颗粒与有机基体两种性质差异很大的材料牢固地结合在一起，改善因从而将粉体颗粒与有机基体两种性质差异很大的材料牢固地结合在一起，改善因加入固体相颗粒的复合材料的强度，体系流变性等。加入固体相颗粒的复合材料的强度，体系流变性等。常见的类型：有机硅、钛酸酯、铝酸酯偶联剂和有机铬化合物。常见的类型：有机硅、钛酸酯、铝酸酯偶联剂和有机铬化合物。特点：特点：钛酸酯偶联剂表面修饰效果较好，价格低廉，应用范围广。钛酸酯偶联剂表面修饰效

34、果较好，价格低廉，应用范围广。有机硅最常用的是硅烷偶联剂，有机硅最常用的是硅烷偶联剂，其它如有机膦、硼化合物等也有较好的应用。其它如有机膦、硼化合物等也有较好的应用。第31页，讲稿共38张，创作于星期二硅烷偶联剂硅烷偶联剂化学通式：化学通式：YRSiX3，其中，其中X为与硅原子结合的水解性基，有氯基，烷氧基，乙酰氧基，为与硅原子结合的水解性基，有氯基，烷氧基，乙酰氧基，异丙烯基，氨基等。异丙烯基，氨基等。X基团特性：基团特性：乙酰氧基，异丙烯氧基，氨基为水解性基的硅烷反应活性强，水解反应速度快，贮存稳定性低，使乙酰氧基，异丙烯氧基，氨基为水解性基的硅烷反应活性强，水解反应速度快，贮存稳定性低，

35、使用不便。用不便。以氯为水解基的硅烷偶联剂水解产生以氯为水解基的硅烷偶联剂水解产生HCl腐蚀性强。腐蚀性强。目前市售常用的是烷氧基为水解性基的硅烷。水解性基目前市售常用的是烷氧基为水解性基的硅烷。水解性基X的水解反应速度与的水解反应速度与PH值相关，值相关，PH值为值为7时水解速度最慢。烷氧基数目越多，水解反应速度越快，另外烷氧基的碳数越多，水解速度越慢。时水解速度最慢。烷氧基数目越多，水解反应速度越快，另外烷氧基的碳数越多，水解速度越慢。Y基团特性：是能与有机基质反应的有机官能基，典型的有机官能基有乙烯基，环氧基，甲基丙烯酰氧基，氨基，基团特性：是能与有机基质反应的有机官能基，典型的有机官能

36、基有乙烯基，环氧基，甲基丙烯酰氧基，氨基，硫基等。适用于不同的有机树脂体系，有机官能团通过亚烷基硫基等。适用于不同的有机树脂体系，有机官能团通过亚烷基R形成形成SiC键而与硅原子结合，有化学稳定性和键而与硅原子结合，有化学稳定性和热稳定性。热稳定性。作用机理：作用机理：硅烷偶联剂同粉末颗粒的结合，是从硅烷低聚物与颗粒表面的羟基作用开始的，因此表面硅烷偶联剂同粉末颗粒的结合，是从硅烷低聚物与颗粒表面的羟基作用开始的，因此表面上具有活性羟基的无机物如玻璃，二氧化硅等有很强的亲和性和反应性，而对表面无羟基或上具有活性羟基的无机物如玻璃，二氧化硅等有很强的亲和性和反应性，而对表面无羟基或极性很小的无机

37、物如碳酸钙，碳黑等，硅烷偶联剂的处理效果就较差。极性很小的无机物如碳酸钙，碳黑等，硅烷偶联剂的处理效果就较差。第32页，讲稿共38张，创作于星期二钛酸脂偶联剂钛酸脂偶联剂化学通式：化学通式：(RO)mTi(OXRY)n,其中其中1 m 4,m+n 6;R为短碳链烷烃基。为长碳链烷烃基，为短碳链烷烃基。为长碳链烷烃基，X为为C、N、S、P等元素，等元素，Y为羟基、氨基、环氧基、双键等基团，它具备为羟基、氨基、环氧基、双键等基团，它具备6个作用不同的功能基团。个作用不同的功能基团。（RO）m 功能团是与粉体颗粒偶联作用的基团，通过烷氧基与颗粒表面吸附的微量羟基或质子发生化学反应，功能团是与粉体颗粒

38、偶联作用的基团，通过烷氧基与颗粒表面吸附的微量羟基或质子发生化学反应，偶联到粉体表面形成单分子层，同时释放出异丙醇。由于偶联基团的差异，对粉体含水量有一定的选择性要求。偶联到粉体表面形成单分子层，同时释放出异丙醇。由于偶联基团的差异，对粉体含水量有一定的选择性要求。TiO 功能团起酯基和交联功能。某些钛酸酯偶联剂能够和有机高分子中的酯基，羧基功能团起酯基和交联功能。某些钛酸酯偶联剂能够和有机高分子中的酯基，羧基等进行酯基转移和交联，使钛酯基、粉体颗粒及有机高分子间发生交联。等进行酯基转移和交联，使钛酯基、粉体颗粒及有机高分子间发生交联。X 功能团是功能团是X 连接钛中心带有功能性的基团。钛酸酯

39、分子中连接钛中心的基团如长链烷氧基，连接钛中心带有功能性的基团。钛酸酯分子中连接钛中心的基团如长链烷氧基，酚基、羧基、磺酸基、磷酸基以及焦磷酸基等，这些基团决定偶联剂的特性和功能，如磺酸基赋予酚基、羧基、磺酸基、磷酸基以及焦磷酸基等，这些基团决定偶联剂的特性和功能，如磺酸基赋予一定的触变性，焦磷酸基具有阻燃、防锈、亚磷酸配位基具有抗氧化性功能等。一定的触变性，焦磷酸基具有阻燃、防锈、亚磷酸配位基具有抗氧化性功能等。R 长链的纠缠基团，适用于热塑性树酯，长的脂肪族碳链比较柔软，能和有机基体进行弯长链的纠缠基团，适用于热塑性树酯，长的脂肪族碳链比较柔软，能和有机基体进行弯曲缠绕，增强和基料的结合力

40、，提高它们的相容性，引起粉末颗粒界面上表面能变化，改善曲缠绕，增强和基料的结合力，提高它们的相容性，引起粉末颗粒界面上表面能变化，改善粉体颗粒和基料体系熔融流动性和加工工艺性。粉体颗粒和基料体系熔融流动性和加工工艺性。Y 固化反应基团，适用予热固性树酯，当活性基团连接在钛的有机骨架上，就能使偶联剂和有机聚合物进行化固化反应基团，适用予热固性树酯，当活性基团连接在钛的有机骨架上，就能使偶联剂和有机聚合物进行化学反应而交联。使粉体颗粒与基体结合。学反应而交联。使粉体颗粒与基体结合。n为非水解基团数。钛酸酯偶联剂分子中非水解基团的数目至少应具有两个以上。在螯合型钛酸酯偶联剂为非水解基团数。钛酸酯偶联

41、剂分子中非水解基团的数目至少应具有两个以上。在螯合型钛酸酯偶联剂中具有两个或三个非水解基团，在单烷氧基型钛酸酯偶联剂中含有三个非水解基团。由于分子中的三个立中具有两个或三个非水解基团，在单烷氧基型钛酸酯偶联剂中含有三个非水解基团。由于分子中的三个立体支撑点的作用，可以加强链纠缠，并且带有大量碳原子数，急剧改变表面能，导致黏度大幅下降。三个体支撑点的作用，可以加强链纠缠，并且带有大量碳原子数，急剧改变表面能，导致黏度大幅下降。三个非水解基团可以代任意改变，可根据相容性的要求，任意调节碳链长短，又可根据性能的要求，部分改变非水解基团可以代任意改变，可根据相容性的要求，任意调节碳链长短，又可根据性能

42、的要求，部分改变连接钛中心的基团，既可适用于热塑性塑料又可适用于热固性塑料连接钛中心的基团，既可适用于热塑性塑料又可适用于热固性塑料。第33页，讲稿共38张，创作于星期二粉体颗粒表面化学修饰的共同规律粉体颗粒表面化学修饰的共同规律 吸附性质吸附部位吸附形式吸附特点表面化学反应固相反应在表面生成独立新相多层化学吸附双电层内层非类质同相离子或分子的化学吸附生成表面化合物（单分子层）类质同相离子的交换吸附可深入固相晶格内部定位离子吸附非等当量吸附，改变表面电位物理吸附向化学吸附过渡双电层外层离子的特性吸附可引起动电位变号离子的扩散层吸附压缩双电层，静电物理吸附物理吸附相界面分子的氢键吸附强分子吸附，

43、具有向化学吸附的过渡性质偶极分子吸附较强分子吸附分子的色散吸附弱分子吸附粘附相-相作用机械粘附性质第34页，讲稿共38张，创作于星期二化学吸附与物理吸附化学吸附与物理吸附化学吸附化学吸附概念：指表面修饰剂与粉体颗粒表面的晶格离子（或原子）发生化学反应，参与反应的概念：指表面修饰剂与粉体颗粒表面的晶格离子（或原子）发生化学反应，参与反应的质点间进行电子转移或电子公有，在粉体颗粒表面形成离子键、共价键或配位键等强键质点间进行电子转移或电子公有，在粉体颗粒表面形成离子键、共价键或配位键等强键键合的吸附。键合的吸附。特点：特点：具有极大的选择性及不可逆性具有极大的选择性及不可逆性 定点吸附定点吸附 单

44、层为主或多层单层为主或多层 不能按化合物的计量关系进行计算不能按化合物的计量关系进行计算物理吸附：静电吸附和分子吸附。物理吸附：静电吸附和分子吸附。原则上只要与粉体表面电位异号的离子，均可与粉体表面发生静电物理吸附，无方向性原则上只要与粉体表面电位异号的离子，均可与粉体表面发生静电物理吸附，无方向性和饱和性，可形成多层吸附。和饱和性，可形成多层吸附。分子吸附主要靠分子力作用而实现的吸附，吸附质为分子，如烷烃分子、偶极分子在离分子吸附主要靠分子力作用而实现的吸附，吸附质为分子，如烷烃分子、偶极分子在离子晶体型分子，分子吸附又包括强分子吸附和弱分子吸附。子晶体型分子，分子吸附又包括强分子吸附和弱分

45、子吸附。表面吸附自由能的变化：表面吸附自由能的变化：为表面吸附总自由能；为表面吸附总自由能；为共价键吸附自由能；为共价键吸附自由能；为电性吸附自由能；为电性吸附自由能；为溶剂化效应自由能；为溶剂化效应自由能；为碳链间的缔合能；为碳链间的缔合能；为氢键吸附自由能。为氢键吸附自由能。第35页，讲稿共38张，创作于星期二改性剂与颗粒表面的相互作用改性剂与颗粒表面的相互作用 按共价键理论，以硅烷偶联剂与矿物颗粒间的作用为例表述作用过程如下：按共价键理论，以硅烷偶联剂与矿物颗粒间的作用为例表述作用过程如下：（a）水解）水解 RSiX3+3H2ORSi(OH)3+3HX（b）缩合）缩合（c）与颗粒表面羟基

46、作用生成氢键，然后脱水，由氢键转化为共价键）与颗粒表面羟基作用生成氢键，然后脱水，由氢键转化为共价键 第36页，讲稿共38张，创作于星期二修饰粉体与有机基体之间的作用机理修饰粉体与有机基体之间的作用机理（1）界面层理论：界面层理论：a)以官能团理论为基础的界面层扩散理论。对粉体颗粒表面进行处理时，所以官能团理论为基础的界面层扩散理论。对粉体颗粒表面进行处理时，所用偶联剂不仅一端要有与粉体颗粒表面以化学键相结合的基团，而且另一端应用偶联剂不仅一端要有与粉体颗粒表面以化学键相结合的基团，而且另一端应能溶解、扩散到树脂的界面区域中，并与大分子链发生纠缠或形成化学键。能溶解、扩散到树脂的界面区域中，并

47、与大分子链发生纠缠或形成化学键。b)以表面能为出发点的界面层理论。粉体颗粒具有较高的表面能，当其与基体树以表面能为出发点的界面层理论。粉体颗粒具有较高的表面能，当其与基体树脂复合时，树脂应能对其润湿，这是最基本的热力学条件。为了提高树脂对粉体颗脂复合时，树脂应能对其润湿，这是最基本的热力学条件。为了提高树脂对粉体颗粒的润湿性，粉体必须用偶联剂处理，以降低其表面能。若偶联剂的粒的润湿性，粉体必须用偶联剂处理，以降低其表面能。若偶联剂的R基团中含有基团中含有极性基，则处理后粉体肯有较高的表面能；若极性基，则处理后粉体肯有较高的表面能；若R中含有不饱和双键，则超细粉体中含有不饱和双键，则超细粉体可有

48、中等的表面能；若可有中等的表面能；若R为饱和链烃，则表面能最低。又由于色散力具有加和为饱和链烃，则表面能最低。又由于色散力具有加和性，带有长链烃基者比短链具有较高的表面能。性，带有长链烃基者比短链具有较高的表面能。(2)浸润效应理论浸润效应理论 在复合材料的制造中，树脂对粉体颗粒表面的良好浸润对提高复合材料的力学性能在复合材料的制造中，树脂对粉体颗粒表面的良好浸润对提高复合材料的力学性能至关重要，如果能获得良好浸润，那么树脂对粉体颗粒表面的物理吸附将提供高于至关重要，如果能获得良好浸润，那么树脂对粉体颗粒表面的物理吸附将提供高于树脂内聚强度的粘结强度，这就要求粉体表面修饰剂有机基团的疏水性应与树脂基树脂内聚强度的粘结强度，这就要求粉体表面修饰剂有机基团的疏水性应与树脂基体的疏水性保持一致。体的疏水性保持一致。(3)化学键理论化学键理论 偶联剂的有机基团应与树脂的有机基体产生化学结合，这就要求应尽量选择其有偶联剂的有机基团应与树脂的有机基体产生化学结合，这就要求应尽量选择其有机部分可与聚合物有机基体发生化学反应的物质作为粉体的表面修饰剂。机部分可与聚合物有机基体发生化学反应的物质作为粉体的表面修饰剂。第37页，讲稿共38张，创作于星期二感谢大家观看第38页，讲稿共38张，创作于星期二