粉体表面改性处理介绍课件

粉体表面改性处理介绍2)表面改性的目的

使无机矿物填料由一般增量填料变为功能性填料

为高分子材料及复合材料提供新的技术方法

提高涂料或油漆中颜料分散性，改善涂料性能

使制品有良好的光学效应或视觉效果，附加值高表面改性是为改善矿物材料的使用性能，提高使用价值并拓展新的应用领域，以满足新材料、新技术发展、新产品开发的需要

提高颗粒的分散性，防止颗粒团聚，3）表面改性的特点

虽然有时采用化学反应的方法，这类反应只改变矿物界面层次的组分，不改变矿物材料的内部晶体结构及物理化学性质表面改性的基本方法和研究内容1)表面改性的研究内容表面改性的原理和方法表面改性剂表面改性工艺与设备表面改性过程的控制与产品检测技术

目前，对于颗粒材料的表面改性方法还没有十分明确的分类方法。如果按改性过程中改性剂和颗粒存在的状态对改性方法进行分类，颗粒的表面改性可以分为干法改性、湿法改性和气相法改性三类。

表面改性方法（1）干法改性干法改性是指颗粒在干态下在表面改性设备中首先进行分散，然后通过喷洒合适的改性剂或改性剂溶液，在一定温度下使改性剂作用于颗粒材料表面，形成一层改性剂包覆层，达到对颗粒进行表面改性处理的方法。这种改性方法具有简便灵活，适应面广，工艺简单，成本低，改性后可直接得到产品，易于连续化、自动化等优点，但是在改性过程中对颗粒难以做到处理均一、颗粒表面改性层可控等目的。（2）湿法改性湿法改性是指颗粒在一定浓度的改性剂水或有机溶液中，在搅拌分散和一定温度条件下，通过颗粒表面的物理作用或化学作用而使改性剂分子吸附于颗粒表面，达到对颗粒进行表面改性处理的方法。该方法改性完全，颗粒表面包覆完整，颗粒的改性效果好且稳定。但是采用该方法改性后的粉体如果要在干态下使用，还需要进行干燥后处理，工艺复杂，成本高较高。（3）气相法改性

气相法改性是指将改性剂汽化以后与固体颗粒表面进行接触，在其表面发生化学反应或物理结合而吸附在颗粒表面，达到对颗粒进行表面改性处理的方法。在该方法中由于要将改性剂汽化，一般局限于一些低分子量、低沸点的改性剂。

目前干法表面改性设备主要有高速加热式混合机、SLG型连续式粉体表面改性机、PSC型连续式粉体表面改性机、高速气流冲击式粉体表面改性机（Hybridization）和流化床式粉体表面改性机。

干法表面改性设备图1高速加热式混合机1机座2电机3气缸4折流板5锅盖6搅拌叶轮7夹套8卸料装置（1）高速加热式混合机（2）SLG型粉体表面改性机

图2SLG型连续粉体表面改性机的结构示意图1温度计2出料口3进风口4风管5主机6进料口7计量泵8喂料机（3）PSC型粉体表面改性机

图3PSC型粉体表面改性机的结构示意图1改性剂室2原料仓3螺旋给料器4雾化室5改性处理仓6主轴7搅拌棒8冲击锤9螺旋输送机10气流输送管11成品仓12脉动式吸尘器13排气管14排风扇（4）高速气流冲击式粉体表面改性机

图4HYB主机的结构示意图（5）流化床式粉体表面改性机

图5不同形式的流化床(a)顶喷式(b)底喷式(c)Wurster式(d)侧喷旋转式2)表面改性的分类

包覆处理改性

表面化学包覆

沉淀反应包膜

胶囊化处理

机械化学改性，等

包覆处理改性

包覆也称涂敷，利用有机高聚物或树脂等对粉体表面进行“包覆”以达到改善粉体表面性能的方法

影响因素：

颗粒的形状

比表面积

孔隙率

涂覆剂的种类

涂敷处理工艺，等

沉淀反应改性

利用化学沉淀反应并将生成物沉积在矿粒表面形成一层或多层“改性层”的方法称沉淀反应改性。影响因素

浆液的pH、浓度

反应温度和反应时间

颗粒的粒度、形状及后续处理工序，等pH、温度是沉淀反应改性最重要的控制因素。

表面化学包覆

利用表面化学方法，如有机物分子中的官能团(游离基反应、鳌合反应、溶胶吸附以及偶联剂)在无机矿粒（填料或颜料）表面的吸附或化学反应对颗粒表面进行局部包覆使颗粒表面有机化而达到表面改性的方法，它是无机填料或颜料的主要表面改性处理方法。常用改性剂

偶联剂——最常用的矿物表面改性剂

高级脂肪酸及其盐——适用于表面含金属活性粒子的矿物

不饱和有机酸和有机硅，等

机械化学改性

机械化学改性是利用超细粉碎及其它强烈机械力作用有目的地对矿物表面进行激活，在一定程度上改变矿粒表面的晶体结构、溶解性能（表面无定型化）、化学吸附和反应活性（增加表面活性点或活性基团）等机械化学改性既是一种独立改性方法，也可视为实现表面化学改性、接枝改性等的促进手段机械化学改性的含义

利用矿物超细粉碎过程中机械应力的作用激

活矿物表面，使表面晶体结构与物理化学性

质发生变化，实现改性，满足应用需要

利用机械应力对表面的激活和由此产生的离

子和游离基，引发单体烯烃类有机物聚合，

或使偶联剂等表面改性高效反应附着而实现

改性

胶囊化处理

胶囊化改性是在颗粒表面覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面化学改性方法。主要方法：

化学方法

物理化学方法

机械物理方法

其它表面改性方法

接枝改性

酸碱处理

化学气相沉淀（CVD）

物理沉淀（PVD），等7.3表面改性剂及作用1)偶联剂及其作用机理偶联剂的作用(functionsofcouplingagent)：①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度②改善了界面对应力的传递效果③提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力④提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性偶联作用示意图

作用机理

界面扩散理论

表面能理论界面扩散理论——对矿物进行改性处理时，偶联剂的亲无机端应与填料表面以化学键结合；而偶联剂的亲有机端应含有较长的柔软碳氢链段，能溶解、扩散于树脂的界面区域，与树脂大分子链发生纠缠或形成化学键，以形成柔性的有利于应力松弛的界面层，提高吸收和分散冲击能，使复合材料具有更好的抗冲击性能。表面能理论——偶联剂和树脂基体相匹配时，树脂液就能润湿基质，这是制备性能良好复合材料最基本的热力学条件。

硅烷偶联剂

硅烷偶联剂的通式RSiX3R—与聚合物分子有亲和力或反应能力的有机官能团，如氨基、琉基、乙烯基、环氧基和酰氧基等

X—可水解的烷氧基和氯离子硅烷偶联剂可用于许多种矿物及填料的表面改性处理,其中用于酸性矿物(石英、高岭石和硅灰石等)效果最佳。水解反应是硅烷偶联剂偶联作用的前提,在使用时常用水配成硅烷溶液使用,大部分硅烷经水解后都具有良好的可溶性。亲水基的性质硅烷偶联剂亲水基也称水解性基团，遇水可分解成活性硅醇(≡Si-OH)，通过硅醇和无机矿物表面反应，形成化学结合或吸附于矿物表面

X为—OCH3和—OC2H5，水解速度缓慢，产物醇为中性物质，用水介质进行表面改性。

X为—OC2H4OCH3基团，不仅保留水解性，还能提高水溶性、亲水性，应用更为方便硅烷偶联剂与无机填料表面的作用硅烷偶联剂在无机填料表面的作用

偶联剂的功能：（a）有机硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羟基与玻璃表面之间的氢键合；（c）结在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）与聚合物反应的官能R基团作用方式：

包括化学键、氢键和物理吸附作用作用过程：

硅烷偶联剂接触空气中的水分发生水解后，与无机填料表面的羟基形成氢键，再通过加热干燥发生脱水反应形成部分共价键，使无级填料表面被硅烷所覆盖。

钛酸脂偶联剂通式：(RO)MTi-(OX-R’-Y)N

R—短碳链的烷基

(RO)M—偶联剂和矿物表面相结合基团

M—该基团数，1≤M≤4Ti—偶联剂分子的核心－TiO－—钛酸酯的有机骨架，起脂基和烷基转移反应－X－—和分子核心钛相结合的基团，X代表C、

N、P、S等元素具体有焦磷酸酯、亚磷酸酯、羟基、磺酸基，氨基等。

R’—长碳链烷基，碳数常为12-18。

作用：

和聚合物的链发生缠绕，借助分子间的力结合在一起，起传递应力作用，提高冲击强度，剪切强度和伸长率。

改变矿物表面能，降低体系粘度，使高充填聚合物也能显示出较好的熔融流动性改性剂与矿物表面的相互作用硅烷偶联剂对硅烷偶联剂与无机矿物间作用的解释主要有化学反应、物理吸附、氢键作用和可逆平衡等理论,至今尚未形成定论,综合各种观点提出的共价键吸附机理比较符合实际。按共价键理论,硅烷偶联剂与矿物间的作用可表述为下列过程:(1)硅烷分子接触水分,发生水解反应;(2)硅烷分子间缩聚成低聚物;(3)硅烷水解物与矿物表面羟基缩合、脱水,低聚物和矿物表面羟基形成氢键;(4)脱水反应发生,氢键转化为共价键。经上述反应过程,矿物表面最终被-R所覆盖,形成界面区域。

硅烷偶联剂与玻纤表面形成化学键已经采用红外光谱和气相色谱手段证实。研究还表明,附着在矿物表面的硅烷偶联剂不是简单的单分子层结构,而是以复杂的多分子层结构存在,含有化学键合的硅烷低聚物和化学吸附、物理吸附的硅烷低聚体或硅烷分子,其中最内层为化学键合层,中间层为化学吸附层,最外层为物理吸附层。改性矿物填料与有机基体之间的相互作用解释改性矿物填料与有机基体之间的界面结合状态有多种理论,最典型的包括化学键理论,可变形层理论,约束层理论和浸湿效应理论等。偶联剂对玻璃纤维表面处理的成功使化学键理论在目前最为盛。化学键理论认为,偶联剂分子结构中存在两种性质的官能团,一种官能团与矿物等无机填料表面的极性基团反应,另一种官能团则能与有机物反应,因而偶联剂可将填料和有机基体结合在一起并增强复合材料的力学性能。高级脂肪酸及其盐

结构通式：RCOOH

为阴离子表面活性剂，其结构和聚合物分子结构相似，与聚合物基料有一定的相容性。分子一端为羧基，可与无机填料或颜料表面发生物理、化学吸附作用，另一端为长链烷基（C16-C18）2)有机酸及其盐类改性剂作用：用高级脂肪酸及其盐(如硬脂酸)处理无机填料或颜料，有一定的表面处理效果可改善无机填料或颜料与高聚物基料的亲和性，提高其在高聚物基料中的分散度。本身具有润滑作用，可使复合体系内摩擦力减小，改善复合体系的流动性能。

不饱和有机酸作为无机填料的表面改性剂带有一个或多个不饱和双键及一个或多个羟基，碳原子数一般在10个以下。酸性越强，越容易形成离子键。

不饱和有机酸

改性原理利用无机化合物在颗粒表面进行沉淀反应，形成一层或多层“包覆”或“包膜”，以达改善粉体表面性质，如光泽、着色力、遮盖力、保色性、耐侯性、耐热性等目的的表面处理方法。3)沉淀反应改性

改性过程在分散的粉体水浆液中加入所需的改性（处理）剂，在适当的pH和温度下，使无机改性剂以氢氧化物或水合氧化物的形式均匀沉淀在颗粒表面，形成一层或多层包覆层。经过洗涤、脱水、干燥、焙烧等工序使包覆层牢固固定在颗粒表面，达到改进粉体表面性能的目的。以钛盐、氢氟酸、硼酸为原料"采用液相沉积法"制备TiO2薄膜“工艺流程如下图所示高岭土颗粒表面包覆二氧化钛膜工艺表面纳米碳酸钙包覆改性的硅灰石

改性效果评价

粉体表面改性是一项涉及众多学科的交叉学科领域。表面改性效果或改性产品的表征方法尚未完善和规范。目前的表征方法大体上可分为直接法和间接法。

直接法：表面性质的变化来评价

间接法：改性后粉体的实际应用效果（填充力学性能）疏水性能：润湿接触角、活化指数相容性：液体中的分散性、稳定性、体系粘度粒度分布、颗粒形貌表面成份结构：XPS、FTIR、AFM、EDX、TG其它：电、热、阻燃、抗菌、吸波、吸附

用于高聚物基复合材料填料的表面改性效果，可以通过检测填料改性前后填充的高聚物复合材料的力学性能来评价；用于电缆绝缘填料的煅烧高岭土改性效果，可用改性前后填充绝缘材料的体积电阻率以及拉伸强度、断裂伸长率等性能来评价；用于抗菌目的的粉体的改性效果，可用其抗菌性能检测结果来评价；对于颜料的表面改性可以通过其遮盖力、着色率、色差、分散稳定性等检测结果来评价；对于催化剂的表面改性可以通过其催化性能来评价。由于粉体表面改性的目的性和专业性很强，间接评价法非常重要，是评价表面改性粉体应用价值的主要依据。

粉体表面改性技术的发展趋势（1）表面改性工艺与设备。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应较低、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计算机技术和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、减少改性剂用量、稳定产品质量和方便操作。（2）表面改性剂。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作用的新型表面改性剂。（3）粉体表面改性“软技术”。在多学科综合的基础上，根据目的材料的性能要求选择粉体材料和“设计”粉体表面；运用现代科学技术，特别是先进计算方法、计算技术以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的工作量，提高表面改性工艺和改性剂配方的科学合理性，达到最佳的应用性能和应用效果。历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯的变化资料精品课件欢迎使用[自读教材·填要点]一、铁路，更多的铁路1．地位铁路是

建设的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。2．出现1881年，中国自建的第一条铁路——唐山

至胥各庄铁路建成通车。1888年，宫廷专用铁路落成。交通运输开平

3．发展(1)原因：①甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的

。②修路成为中国人

的强烈愿望。(2)成果：1909年

建成通车；民国以后，各条商路修筑权收归国有。4．制约因素政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入正轨。修筑权救亡图存京张铁路

二、水运与航空1．水运(1)1872年,

正式成立，标志着中国新式航运业的诞生。(2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是在列强排挤中艰难求生。2．航空(1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始研制

。(2)发展：1918年，北洋政府在交通部下设“

”；此后十年间，航空事业获得较快发展。轮船招商局水上飞机筹办航空事宜处三、从驿传到邮政1．邮政(1)初办邮政：1896年成立“大清邮政局”，此后又设

，邮传正式脱离海关。(2)进一步发展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驿站；1920年，中国首次参加

。邮传部万国邮联大会2．电讯(1)开端：1877年，福建巡抚在

架设第一条电报线，成为中国自办电报的开端。(2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变化。3．交通通讯变化的影响(1)新式交通促进了经济发展，改变了人们的通讯手段和

，

转变了人们的思想观念。(2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便捷。(3)促进了中国的经济与社会发展，也使人们的生活

。台湾出行方式多姿多彩[合作探究·提认知]

电视剧《闯关东》讲述了济南章丘朱家峪人朱开山一家，从清末到九一八事变爆发闯关东的前尘往事。下图是朱开山一家从山东辗转逃亡到东北途中可能用到的四种交通工具。依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。

提示：特点：新旧交通工具并存(或：传统的帆船、独轮车，近代的小火轮、火车同时使用)。

原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的贫困，阻碍社会发展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；政府及各阶层人士的提倡与推动。[串点成面·握全局]

一、近代交通业发展的原因、特点及影响1．原因(1)先进的中国人为救国救民，积极兴办近代交通业，促进中国社会发展。(2)列强侵华的需要。为扩大在华利益，加强控制、镇压中国人民的反抗，控制和操纵中国交通建设。(3)工业革命的成果传入中国，为近代交通业的发展提供了物质条件。2．特点(1)近代中国交通业逐渐开始近代化的进程，铁路、水运和航空都获得了一定程度的发展。(2)近代中国交通业受到西方列强的控制和操纵。(3)地域之间的发展不平衡。3．影响(1)积极影响：促进了经济发展，改变了人们的出行方式，一定程度上转变了人们的思想观念；加强了中国与世界各地的联系，丰富了人们的生活。(2)消极影响：有利于西方列强的政治侵略和经济掠夺。1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立之势”。这说明该企业的创办 (

)A．打破了外商对中国航运业的垄断B．阻止了外国对中国的经济侵略C．标志着中国近代化的起步D．使李鸿章转变为民族资本家解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家；洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D三项表述都有错误。答案：A二、近代以来交通、通讯工具的进步对人们社会生活的影响(1)交通工具和交通事业的发展，不仅推动各地经济文化交流和发展，而且也促进信息的传播，开阔人们的视野，加快生活的节奏，对人们的社会生活产生了深刻影响。(2)通讯工具的变迁和电讯事业的发展，使信息的传递变得快捷简便，深刻地改变着人们的思想观念，影响着人们的社会生活。2．清朝黄遵宪曾作诗曰：“钟声一及时，顷刻不少留。虽有万钧柁，动如绕指柔。”这是在描写 (

)A．电话B．汽车C．电报 D．火车解析：从“万钧柁”“动如绕指柔”可推断为火车。答案：D[典题例析][例1]

上海世博会曾吸引了大批海内外人士利用各种交通工具前往参观。然而在19世纪七十年代，江苏沿江居民到上海，最有可能乘坐的交通工具是 (

)A．江南制造总局的汽车B．洋人发明的火车C．轮船招商局的轮船D．福州船政局的军舰[解析]由材料信息“19世纪七十年代，由江苏沿江居民到上海”可判断最有可能是轮船招商局的轮船。[答案]

C[题组冲关]1．中国近代史上首次打破列强垄断局面的交通行业是(

)A．公路运输 B．铁路运输C．轮船运输 D．航空运输解析：根据所学1872年李鸿章创办轮船招商局，这是洋务运动中由军工企业转向兼办民用企业、由官办转向官督商办的第一个企业。具有打破外轮垄断中国航运业的积极意义，这在一定程度上保护了中国的权利。据此本题选C项。答案：C2.右图是1909年《民呼日报》上登载的一幅漫画，其要表达的主题是(

)A．帝国主义掠夺中国铁路权益B．西方国家学习中国文化C．西方列强掀起瓜分中国狂潮D．西方八国组成联军侵略中国解析：从图片中可以了解到各国举的灯笼是火车形状，20世纪初的这一幅漫画正反映了帝国主义掠夺中国铁路权益。B项说法错误，C项不能反映漫画的主题，D项时间上不一致。答案：A[典题例析][例2]

(2010·福建高考)上海是近代中国茶叶的一个外销中心。1884年，福建茶叶市场出现了茶叶收购价格与上海出口价格同步变动的现象。与这一现象直接相关的近代事业是(

)A．电报业 B．大众报业C．铁路交通业 D．轮船航运业[解析]材料主要反映了信息交流的快捷，故选A。[答案]

A[题组冲关]3．假如某爱国实业家在20世纪初需要了解全国各地商业信