粉体表面改性技术的认知与发展前景讨论
摘要：粉体表面改性技术是表面改性技术的重要分支，无论从优化材料性能或提高材料价值方面都突显出不可替代的作用。本文简要介绍了粉体表面改性的各种方法以及对粉体表面改性技术的发展前景进行了讨论。 关键字：粉体表面；改性；前景；讨论
1 表面改性技术简介
表面改性技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等门薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。
这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
2 粉体表面改性
表面改性是改性技术的重要组成部分，而对粉体材料来说，也是优化粉体材料性能的关键技术之一，对提高无机粉体的应用性能和价值以及开拓新的应用领域起着至关重要的作用。
粉体的表面改性是根据需要，对粉体的表面特性进行物理、化学、机械等深加工处理，使粉体的表面物理化学性质，诸如晶体结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性、表面吸附和反应特性等等发生变化，能够满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。
我国的无机粉体表面改性技术的研究开发始于20世纪80年代。在此之后由于塑料、橡胶、涂料等相关产业的快速发展, 中国无机粉体表面改性技术的研发和应用速度加快, 并于20世纪90年代末开始了专用于表面改性设备的研发。2000年以来, 以表面改性配方、工艺、设备为代表的粉体表面改性技术取得了显著进展，与工业发达国家的差距进一步缩小[1]。 2.1 粉体表面改性的方法 2.1.1 表面有机包覆法
表面有机包覆法是利用化学和物理吸附作用、微胶囊化技术[2]以及有机高分子的接枝聚合[3-4]等有机包覆方法改变无机粉体的分散性能在涂料、复合材料等行业有着广泛的应用。
有机包覆改性可以通过包覆体系和包覆工艺的变化，改变粉体表面的官能
团，变化粒子表面电荷的种类、浓度和分布，并可根据稳定机制和料浆流动特性的不同需要选择不同的包覆体系，将不同的粉体改造为同一表面特性或将一种粉体改造为接近另一种粉体的表面特性；有机物也可通过灼烧的方法去除。所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、硅油或硅树脂、有机低聚物及不饱和有机酸、水溶性高分子等。 2.1.2 沉淀反应包覆法
沉淀反应包覆是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒的表面, 形成一层或者多层改性层的方法，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法。
几种常见的粉体表面包覆纳米TiO2 、ZnO、CaCO3等无机物的改性, 就是通过沉淀反应实现的。如云母粉表面包覆TiO2制备珠光云母；钛白粉表面包覆SiO2和Al2O3以及硅藻土和煅烧高岭土表面包覆纳米TiO2和ZnO；硅灰石粉体表面包覆纳米碳酸钙和纳米硅酸铝等。 2.1.3 机械力化学改性法
机械力化学改性是利用粉体超细粉碎及其他强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面, 使其结构复杂或表面无定形化, 增强它与有机物或其他无机物的反应活性。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术, 是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性(如表面复合、包覆、分散)的方法。
由于机械力化学改性可以实现非金属矿物超细粉碎和表面技术的结合，提高加工效率，简化生产工艺，因而具有良好的研究与应用价值。值得指出的是超细震动球磨机在机械力化学改性中效果较好，原因与高频振动有关。此外还有球磨机、搅拌磨等设备适用于机械力化学改性。 2.1.4 插层改性法
插层改性是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱(如分子键或范德华键)或存在可交换阳离子等特性, 通过离子交换反应或特性吸附改变粉体性质的方法。用于插层改性的粉体通常具有层状晶体结构, 如石墨、蒙脱土、蛭石、高岭土等。 2.1.5 复合改性法
在科研工作进行过程当中，有时单一的一种改性方法难以满足我们的需求，需要我们将几种不同的改性方法结合起来，对材料进行几种改性方法的综合改性，以达到预期的改性效果。
复合改性是指综合采用多种方法(物理、化学和机械方法等)改变颗粒的表面性质以满足应用需要的改性方法。目前应用的复合改性方法主要有有机物理/化学包覆、机械力化学/有机包覆、无机沉淀反应/有机包覆等。
3 粉体表面技术发展前景
粉体表面改性是应现代高技术、新材料产业，特别是功能材料产业发展而兴起的新技术，适应现代社会环保、节能、安全、健康的需求。粉体表面改性的目的是扩大无机粉体的应用领域，把无机粉体当作是众多工业领域的原料或辅料， 成为“工业填料”。粉体表面改性的目的还在于使无机粉体能够作为复合材料的组成部分，能够进入以高分子材料为基体的现代工业之中，如塑料、橡胶、涂料、粘合剂等。
粉体表面改性的直接作用, 是基于“界面理论”使差别极大的两种材料: 无机粉体和高分子材料能够相融合, 能够成为一个整体。这就要求达到以下两点:①无机粉体能够均匀，迅速地分散开来，分散到高分子基材之中；②大量的粉体与高分子材料相混合，相接触会产生界面。[5]这些界面结合得好不好直接关系到复合材料整体的机械力学和物理化学性能。只有结合好的复合材料才有较高的物理化学或机械力学性能, 否则毫无用处。而表面改性技术就是把这种界面结合能力提高的技术。
粉体表面改性产品是最具发展前景的功能粉体材料，预计未来10年市场需求量将以平均每年8%～10% 的速度增长。结合以上讨论，预计未来粉体表面改性技术的主要发展趋势可分为以下几个方面:
(1)发展适用性广、分散性能好、粉体与表面改性剂的作用机会均等、表面改性剂包覆均匀、改性温度和停留时间可调、单位产品能耗和磨耗较低、无粉尘污染的先进工艺与装备集成，并在此基础上采用先进的人工智能技术对主要工艺参数和改性剂用量进行在线自动调控，以实现表面改性剂在颗粒表面的单分子层吸附、稳定产品质量和方便操作。
(2)在现有表面改性剂的基础上、采用先进技术降低生产成本，尤其是各种偶联剂的成本；同时采用先进化学、高分子、生化和化工科学技术和计算机技术，研发应用性能好、成本低、在某些应用领域有专门性能或特殊功能，并能与粉体表面和基质材料形成牢固结合的新型表面改性剂。
(3)在多学科综合的基础上, 根据目的材料的性能要求，选择合理的改性方法， 运用现代科学技术，特别是采用先进计算技术及智能技术辅助设计粉体表面改性工艺和改性剂配方，以减少实验室工艺和配方试验工作量，提高表面改性工艺和改性剂配方的科学性和实用性。
(4)科学规范表面改性产品的直接表征和测试方法；应用相关国家或行业标准，根据表面改性的目的和用途建立评价指标、评价标准和评价方法。
参考文献：
[1]郑水林.非金属矿物粉体表面改性技术进展[J].中国非金属矿工业导刊,2010(1):3 -10 [2]谈定生,严年喜,施亚钧,等.无机粉体的聚合物胶囊化过程研究[J].高分子材料科学与工 程,1999,15(6):101-104.
[3]吴璧耀,刘安华,邵兰英,等.丙烯酸在炭黑表面接枝聚合研究[J].高分子学报,1994(6): 745-748.
[4]刘安华,龚克成, 刘长生,等. 焦磷酸络锰Ⅲ引发炭黑表面接枝聚合研究[J].高分子材料 科学与工程,1999,15(1):47-49.
[5]刘伯元.粉体的表面改性[M].中国非金属矿开发与应用中国冶金出版社,2003年.
表面改性技术的认知与发展前景讨论
