一文认识机械化学法粉体表面改性技术
2020-12-18 17:41:26
表面改性是指利用各类材料或助剂，采用物理、化学等方法对粉体表面进行处理，根据应用的需要有目的地改善粉体表面的物理化学性质或物理技术性能，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。粉体表面改性的方法很多，分类方法依分析问题的角度不同而异，下面小编就机械化学法粉体表面改性技术进行介绍。
一、粉体表面改性方法概述
目前，粉体改性方法按照改性工艺性质分类，主要分为6类，表面覆盖改性、表面化学改性、机械化学法改性、胶囊式改性、高能处理改性、沉淀反应改性。
（1）表面覆盖改性
表面覆盖改性是利用表面活性剂使高分子、无机物、有机物等覆盖于粉体表面，达到表面改性。
表面覆盖法改性纳米碳酸钙结构图
（2）表面化学改性
表面化学改性是利用表面改性剂与粉体表面进行化学反应或化学吸附的方式完成，使其表面产生新的机能。
表面化学改性示意图
（3）机械化学法改性
机械化学法改性是通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性，具有强活性的粉体表面与其它物质发生反应、附着，达到表面改性的目的。
（4）胶囊式改性
胶囊式改性是在粉体表面包上一层或多层均匀的其它物质的薄膜，使粉体的表面特性发生改变。
胶囊式改性示意图
（5）高能处理改性
高能处理改性是利用电晕放电、紫外线、等离子束等对粉体进行表面改性。
等离子束仪器
（6）沉淀反应改性
沉淀反应改性是利用化学反应并将生成物沉积在粉体表面，形成一层或多层改性层的方法。
相比于其他5种表面改性方法，机械化学法表面改性可将粉碎过程与表面改性过程相结合，具有工艺过程简洁、产品改性效果良好及生产效率高等显著优点。
二、机械化学法表面改性机理
机械化学法是指通过压缩、剪切、摩擦、延伸、弯曲、冲击等手段，对固体、液体、气体物质施加机械能，从而诱发这些物质的物理化学性质变化，使固体与其周围环境中的固体、液体、气体发生化学变化的现象。
机械化学法粉体表面改性是通过对粉体的机械处理，使粉体表面活化能提高，从而使粉体表面活化点与周围的物质发生物理、化学反应。粉体表面活化能增强，出现活化点的原因主要有：
（1）晶格缺陷
晶格缺陷是指晶体在外部的拉力、压力、弯曲等机械力或对表面进行机械加工时形成的晶格偏离正常位置的现象。晶格缺陷按其空间结构不同又可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错的发生使得附近原子或离子处于较高能量状态。面缺陷则常出现在晶界、双晶界或晶体堆层不完整等区域。
缺陷示意图
位错示意图
（2）晶格畸变，晶格畸变的形式有一次粒子的晶格整体的膨胀收缩而引起面间距的变化、晶粒内部或晶粒局部的变化、X射线确定的无定形构造或层状结构、纤维结构中特有的不规则构造等。晶格畸变引起物质能量增加。
三、机械化学表面改性工艺流程及设备
1、湿法机械化学表面改性
湿法机械化学表面改性工艺流程是：被改性粉体与改性剂在溶液环境下，受到研磨介质 的高速冲击、剪切、挤压等作用，粉体表面在粉碎的同时被活化，从而发生与介质中的改性剂的物理、化学反应，实现表面改性的目的。改性完成后，通过分离、 干燥等工艺，获得改性粉体。
目前，湿法机械化学表面改性尚无专门设备，通常由球磨机、搅拌磨、振动磨等完成。其中以搅拌磨使用较为普遍。
高能球磨机
湿法改性适合于改性产品以浆料形式使用的领域。缺点是工艺过程复杂。
2、干法机械化学表面改性
干法机械化学表面改性工艺流程是：将原料粉体与改性剂加入有序混合机中充分混合均匀后，经定量计量系统加入改性设备中进行改性处理，改性完成后粉体送入成品收集装置进行收集。
该方法优点是：整个工艺过程自动化水平较高。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和流化床式粉体表面改性机。
（1）高速加热式混合机
高速搅拌混合机是借助高速旋转叶片的表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力，使粉体颗粒之间高速相互碰撞、摩擦，进而促使粉体粒子与改性剂之间进行充分的交叉混合与吸附，使得表面改性剂包覆在粉体粒子的表面，实现粉体表面改性的目的。
该改性机优点是：应用范围广，适用于固-液、固-粉、粉-粉、粉-液进行高效的粉体复合改性。
（2）SLG型连续式粉体表面改性机
SLG型连续式粉体表面改性机是依靠转子叶片和定子与粉体物料的冲击、剪切和摩擦作用产生表面改性所需的温度。转子的高速旋转强制松散并形成涡流二相流，使表面改性剂能迅速与颗粒表面作用，所以包覆效果好。
SLG型连续式粉体表面改性机
该改性机优点是：连续生产，自动化水平高，操作简单，处理能力大。特别适合用硬脂酸类，各种偶联剂等对碳酸钙、滑石、云母、高岭土、石英、硅灰石、硅线石等非金属矿物填料进行连续表面改性处理。
（3）高速气流冲击式粉体表面改性机
高速气流冲击式粉体表面改性机系列较多，其中以以日本奈良机械制作所开发完成的高速气流冲击式粉体表面改性机HYB系统最具代表性。工作时物料在转子和定子等部件的协同作用下被迅速分散，同时还不断受到以气流冲击力为主，粉体粒子间的压缩、摩擦和剪切等多个力的共同作用，在短时间内完成表面包覆改性、成膜或球形化处理。
该改性机优点是：流程简单、改性质量稳定、产品粒度均匀等特点。
HYB系统设备结构示意图
目前，南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所开发的双向搅拌研磨混合机具有良好的使用效果，对于某些特殊粉体，其改性效果超过HYB系统。
：李波涛