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粉體表面改性劑應該如何選型與配制使用?

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粉體表面改性劑應該如何選型與配制使用?

【摘要】:
佛山優合化工科技?佛山市優合化工科技有限公司銷售經理?????粉體表面改性是集粉體加工、材料加工、材料性能、化工、機械等于一體的新技術,具有針對性或目的性強的特點,工藝方法較多,影響因素較多。除了工藝和設備外,對表面改性劑配方的研究也需要重點關注,粉體的表面改性在很大程度上是通過表面改性劑在粉體表面的作用來實現,因此表面改性劑的配方(品種、用量和用法)對粉體表面的改性效果和改性后產品的應用性能有重

 

 

       粉體表面改性是集粉體加工、材料加工、材料性能、化工、機械等于一體的新技術,具有針對性或目的性強的特點,工藝方法較多,影響因素較多。除了工藝和設備外,對表面改性劑配方的研究也需要重點關注,粉體的表面改性在很大程度上是通過表面改性劑在粉體表面的作用來實現,因此表面改性劑的配方(品種、用量和用法)對粉體表面的改性效果和改性后產品的應用性能有重要影響。表面改性劑配方具有針對性很強,即具有“一把鑰匙開一把鎖”的特點。

 

 

一、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、產品的用途或應用領域以及工藝、價格和環保等因素。

01

粉體原料的性質影響

       粉體原料的性質主要是酸、堿性、表面結構和官能團、吸附和化學反應特性等,應盡可能選擇能與粉體顆粒表面進行化學反應或化學吸附的表面改性劑,因為物理吸附在其后應用過程中的強烈攪拌或擠壓作用下容易脫附。例如,石英、長石、云母、高嶺土等呈酸性的硅酸鹽礦物表面可以與硅烷偶聯劑進行鍵合,形成較牢固的化學吸附;但硅烷類偶聯劑一般不能與碳酸鹽類堿性礦物進行化學反應或化學吸附,而鈦酸酯和鋁酸酯類偶聯劑則在一定條件下和一定程度上可以與碳酸鹽類堿性礦物進行化學吸附作用。

因此,硅烷偶聯劑一般不宜用作碳酸鹽類堿性礦物粉體,如輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣的表面改性劑。

硅烷偶聯劑作用機理

 

02

產品用途的影響

      不同的應用領域對粉體應用性能的技術要求不同,如表面潤濕性、分散性、pH值、遮蓋力、耐候性、光澤、抗菌性、防紫外線等,這就是要根據用途來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機粉體(填料或顏料)要求表面親油性好,即與有機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機粉體表面疏水親油的表面改性劑;對于陶瓷坯料中使用的無機顏料不僅要求其在干態下的有良好的分散性,而且要求其與無機坯料的親和性好,能夠在坯料中均勻分散;對于水性漆或涂料中使用的無機粉體(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、沉降穩定性和配伍性好。

表面活性劑的親水親油表現

 

      對于無機表面改性劑則主要根據應用領域對粉體材料功能性的要求來選擇,例如,要使鈦白粉的耐候性和化學穩定性好,就要采用SiO2和Al2O3進行表面包覆(膜),要使白云母顏料具有良好的珠光效應就要采用TiO2進行表面包覆(膜)。同時,不同應用體系的組分不同,選擇表面改性劑時還須考慮與應用體系組分的相容性和配伍性,避免因表面改性劑而導致體系中其他組分功能的失效。

云母鈦珠光粉

 

       此外,選擇表面改性劑時還要考慮應用時的工藝因素,如溫度、壓力以及環境因素等。所有的有機表面改性劑都會在一定的溫度下分解,如硅烷偶聯劑的沸點依品種不同在100~310℃之間變化。因此,所選擇的表面改性劑的分解溫度或沸點最好高于應用時的加工溫度。

03

改性工藝的影響

      目前的表面改性工藝主要采用干法和濕法二種,對于干法工藝不必考慮其水溶性的問題,但對于濕法工藝要考慮表面改性劑的水溶性,因為只有能溶于水才能在濕式環境下與粉體顆粒充分地接觸和反應。

      例如碳酸鈣粉體干法表面改性時可以用硬脂酸(直接添加或用有機溶劑溶解后添加均可),但在濕法表面改性時,如直接添加硬脂酸,不僅難以達到預期的表面改性效果(主要是物理吸附),而且利用率低,過濾后表面改性劑流失嚴重,濾液中有機物排放超標。其他類型的有機表面改性劑也有類似的情況。因此,對于不能直接水溶而又必須在濕法環境下使用的表面改性劑,必須預先將其皂化、銨化或乳化,使其能在水溶液中溶解和分散。

乳化作用

二、表面改性劑的用量

       理論上在顆粒表面達到單分子層吸附所需的用量為最佳用量,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,但這一用量不一定是100%覆蓋時的表面改性劑用量,對于無機表面包覆改性,不同的包覆率和包膜層厚度可能表現出不同的特性,如顏色、光澤等。因此,實際最佳用量的確定還是要通過改性試驗和應用性能試驗來確定,這是因為表面改性劑的用量不僅與表面改性時表面改性劑的分散和包覆的均勻性有關,還與應用體系對粉體原料的表面性質和技術指標的具體要求有關。

      對于濕法改性,表面改性劑在粉體表面的實際包覆量不一定等于表面改性劑的用量,因為總是有一部分表面改性劑未能與粉體顆粒作用,在過濾時被流失掉了。因此,實際用量要大于達到單分子層吸附所需的用量。

與包覆率和包覆層厚度有關

 

三、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,使用方法不當就可能使表面改性劑的用量增加,改性效果達不到預期目的。

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添加順序。

01

表面改性劑的配制方法

     表面改性劑的配制方法要依表面改性劑的品種、改性工藝和改性設備而定。不同的表面改性劑需要不同的配制方法,例如,對于硅烷偶聯劑,與粉體表面起鍵合作用的是硅醇,因此,要達到好的改性效果(化學吸附)最好在添加前進行水解。對于使用前需要稀釋和溶解的其他有機表面改性劑,如鈦酸酯、鋁酸酯、硬脂酸等要采用相應的有機溶劑,如無水乙醇、甲苯、乙醚、丙酮等進行稀釋和溶解。對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表面改性劑,要預先將其皂化、銨化或乳化為能溶于水的產物。

硅烷偶聯劑水解發揮作用

 

      無機表面改性劑的配制方法比較特殊,需要考慮溶液PH值、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,要預先將硫酸氧鈦或四氯化鈦進行水解。

02

表面改性劑的添加方法

       添加表面改性劑的最好方法是使表面改性劑與粉體均勻和充分的接觸,以達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,最好采用與粉體給料速度連動的連續噴霧或滴(添)加方式,當然只有采用連續式的粉體表面改性機才能做到連續添加表面改性劑。

連續式粉體表面改性機

03

    二種以上的表面改性劑的添加

     在選用二種以上的表面改性劑對粉體進行處理時,添加順序也對最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,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吸附為主)。一般來說先加起主要作用和以化學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。

     例如混合使用偶聯劑和硬脂酸時,一般來說,應先加偶聯劑,后加硬脂酸,因為添加硬脂酸的主要目的是強化粉體的疏水親油性以及減少偶聯劑的用量、降低改性作業的成本。

總結

      粉體表面改性劑是用于改變粉體表面性質并改善粉體應用性能,對于粉體表面的改性效果和改性后產品的應用性能有重要影響,包含有機與無機兩大類,種類繁多,值得投入更多研究。目前國內在粉體表面改性領域,針對不同應用領域的應用技術(品種、用量、用法)開發工作不夠、不會用的問題普遍存在。未來的發展方向應該針對不同粉體和不同應用領域的技術要求提出定制化的應用技術解決方案,包括現有品種分子結構的改造和優化新品種的開發,另外也需探索改進合成工藝,降低生產成本的改進方向。

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