众所周知,超细粉(通常是指粒径为微米或纳米的粒子)具有比表面积大、表面能高、表面活性大的特点,因此具有许多大材料无法比拟的优异的光、电、磁、热和机械性能。但由于超细粉体的小尺寸效应、量子尺寸效应、界面和表面效应以及宏观量子隧道效应,在空气和液体介质中容易团聚。如果不分散,团聚的超细粉体就不能完全保持其特殊性能。
据中国粉末网络报道,分散超细粉末有效的方法是进行表面改性。近年来,粉末表面改性技术已成为人们关注的热门技术之一。其中,表面涂层改性是表面改性技术的重要组成部分。涂层,又称涂层或涂层,是利用无机或有机物对矿物颗粒表面进行改性的一种方法。
超细粉体表面包覆机制
粉末的表面覆盖是根据需要在其表面引入一层覆盖层,因此改性后的粉末可以看作是由“核层”和“壳层”由复合粉末组成。在粉末表面涂上不同的化学覆盖层,可以使其具有生物兼容性,提高其热、机械和化学稳定性,改变其光、磁、电、催化、亲水性、疏水性和烧结性,提高其耐腐蚀性、耐久性和使用寿命。
超细粉末涂层技术形成的核/壳结构是一种新型的复合结构。据中国粉末网络报道,学者的观点主要包括静电相互作用、化学键合、过饱和度、吸附层媒体等。
1)库仑静电引力相互吸引机制。这种观点认为,涂层剂具有与基体表面相反的电荷,通过库仑引力将涂层颗粒吸附到涂层颗粒表面。
2)化学键机理。通过化学反应,基体与涂层之间形成牢固的化学键,从而产生均匀致密的涂层。涂层与基体结合牢固,不易脱落,但基体表面需要一定的官能团。
3)过饱和度机制。从结晶学的角度来看,这种机制认为在某种程度上,在某种程度上,pH当有异相物质时,如果溶液超过其过饱和度,会立即产生大量晶体核,沉积到异相颗粒表面形成覆盖层。此时,晶体沉淀的浓度低于溶液中无异相物质时的浓度。这是因为在非均相系统的晶体成核和生长过程中,新相在现有固相上成核或生长,系统表面自由能的增加小于自身成核(均相成核)系统表面自由能的增加,因此异相界面分子的成核和生长优先于系统中的均相成核。
超细粉末表面覆盖的基本原理
复合材料设计中重要的技术问题是材料的界面组合。复合粉末的终性能取决于涂层、核心及其界面的组合。为了获得良好的界面组合,必须考虑以下因素:
1)满足相间热力学的共容性;
2)满足相间热力学的共存;
3)涂层与核心之间有较好的润湿性。
超细粉体表面覆盖方法
目前,超细粉末的表面涂层技术有几种分类方法。根据反应系统状态可分为固相涂层法、液相涂层法、气相涂层法;根据壳体物质性质分为:金属涂层法、无机涂层法和有机涂层法;根据涂层性质可分为:物理涂层法和化学涂层法等。
固相包覆法
1)机械化学法
机械化学涂层改性方法的本质是将机械能转化为化学能,也称为机械化学效应改性。该方法是指通过压缩、剪切、摩擦、延伸、弯曲、冲击等手段对粉末进行机械处理,提高粉末表面活化,粉末表面活化点与改性剂发生物理化学反应,使改性剂均匀分布在粉末颗粒外表面,各种成分相互渗透扩散,形成涂层。
机械化学改性可以在干燥或湿态下进行。据中国粉体网介绍,目前主要采用球石研磨法、搅拌研磨法和高速气流冲击法。其优点是处理时间短(从几秒钟到几分钟),过程易于控制,可连续批量生产,有利于实现各种树脂、石蜡和流动性改性剂的粉末颗粒涂层,但机械处理过程中无机颗粒的晶体类型损坏,涂层不均匀。
影响机械化学改性的主要因素是搅拌、研磨、冲击强度、工作时间和改性温度。
2)固相反应法
固相反应法是将涂层物质与金属盐或金属氧化物完全混合,在高温煅烧下发生固相反应,得到微/纳米超细涂层粉末。
3)高能量法
用紫外线、电晕放电、等离子体放射线等高能颗粒覆盖超细颗粒的方法统称为高能法。这是一种相对新颖的粉末覆盖技术。
4)聚合物包裹法
在粉末表面覆盖一层有机物可以增强其耐腐蚀屏障功能,提高有机介质的润湿性和稳定性,增强复合材料中的界面调节功能,通过锚定活性分子或生物分子具有生物功能。聚合物包装颗粒在催化剂、合成橡胶、化妆品、粘合材料、墨水、颜料、靶向药物等方面发挥着重要作用。聚合物包装法主要包括接枝聚合法、乳液聚合法和微波等离子体聚合法。
5)微胶囊改性法
微胶囊法改性是在微粒子表面覆盖一层微米或纳米均匀膜,改性粒子表面的特性。微胶囊改性技术已广泛应用于制药、食品、涂料、粘合剂、印刷、催化剂等行业,是现代医学领域的项新技术。其目的是使药物超细粉末的功效达到缓释效果。
液相包覆法
液相涂层技术是通过化学方法在湿环境中实现表面涂层。与其他方法相比,它具有工艺简单、成本低、核壳结构更容易形成的优点。常用的液相方法有水热法、沉淀法、溶胶凝胶法、不均匀核法和化学镀法。
1)水热法
该方法是在高温高压密闭系统中以水为媒介,获得正常情况下无法获得的恶劣物理化学环境。使反应前驱体完全溶解,达到一定的饱和度,形成生长基,然后在覆盖颗粒上形成核,结晶得到复合粉。水热法制成的复合粉具有纯度高、分散性好、壳体致密均匀等优点。
2)溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶粉表面涂层工艺为:首先将改性前驱溶解在水或有机溶剂中形成均匀溶液,溶质和溶剂通过水解或醇解得到改性剂溶胶,然后将预处理后的涂层粉均匀分散在溶胶中,经凝胶和高温煅烧后得到表面涂层粉。该法制成的复合粉具有化学均匀性好、颗粒小、粒径分布窄等优点。它可以在低温下制备各种具有表面改性的超细粉末功能材料。
3)沉淀法
沉淀法是将涂层物质的金属盐溶液加入涂层粉末的水悬浮液中,然后在溶液中加入沉淀剂,使金属离子发生沉淀反应,在粉末表面沉淀,达到表面涂层效果。该方法特别适用于超细粉末的无机改性剂涂层。关键是控制溶液中离子浓度计沉淀剂的释放速度和剂量,使反应产生的改性剂浓度在过饱和度和临界饱和度之间,达到良好的涂层效果。
4)非均匀核法
以非均匀形核法为基础Lamer结晶过程理论利用改性剂颗粒在涂层颗粒基体上的不均匀核和生长形成涂层。涂层方法的关键是控制溶液中改性物质的浓度,以满足不均匀核的条件。因此,以涂层粉体为核基体,优先考虑涂层颗粒的外表面核,生长,实现颗粒的表面涂层。不均匀核是沉淀剂浓度介于不均匀临界核浓度和均匀临界核浓度之间的特殊沉淀涂层。它形成了一种无定形的涂层,比一般沉淀涂层形成的多晶涂层更均匀和致密。
5)化学镀法
化学镀法是指在没有外部电流的情况下,镀液发生自催化氧化还原反应,镀液中金属离子的还原反应变成金属颗粒沉积在粉末表面的涂层技术。该方法虽然具有反应慢、镀液易分解等缺点,但操作简单,生产规模大