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什么是粉体表面改性剂配方?如何确定?

粉体的表面改性在很大程度上是通过表面改性剂在粉体表面的作用来实现的。因此,表面改性剂的配方(品种、用量和用法)对粉体表面的改性效果和改性后产品的应用性能有重要影响。表面改性剂配方具有针对性很强,即具有“一把钥匙开一把锁”的特点。表面改性剂的配方包括选择品种、确定用量和用法等内容
1、表面改性剂品种
 
选择表面改性剂品种的主要考虑因素是粉体原料的性质、产品的用途或应用领域以及工艺、价格和环保等因素。
 
(1)粉体原料的性质
 
粉体原料的性质主要是酸、碱性、表面结构和官能团、吸附和化学反应特性等,应尽可能选择能与粉体颗粒表面进行化学反应或化学吸附的表面改性剂,因为物理吸附在其后应用过程中的强烈搅拌或挤压作用下容易脱附。
 
例如,石英、长石、云母、高岭土等呈酸性的硅酸盐矿物表面可以与硅烷偶联剂进行键合,形成较牢固的化学吸附;但硅烷类偶联剂一般不能与碳酸盐类碱性矿物进行化学反应或化学吸附,而钛酸酯和铝酸酯类偶联剂则在一定条件下和一定程度上可以与碳酸盐类碱性矿物进行化学吸附作用。因此,硅烷偶联剂一般不宜用作碳酸盐类碱性矿物粉体,如轻质碳酸钙和重质碳酸钙的表面改性剂
 
(2)产品的用途
 
产品的用途是选择表面改性剂最重要的考虑因素。不同的应用领域对粉体应用性能的技术要求不同,如表面润湿性、分散性、pH值、遮盖力、耐候性、光泽、抗菌性、防紫外线等,这就是要根据用途来选择表面改性剂品种的原因之一。
 
例如,用于各种塑料、橡胶、胶粘剂、油性或溶剂型涂料的无机粉体(填料或颜料)要求表面亲油性好,即与有机高聚物基料有良好的亲和性或相容性,这就要求选择能使无机粉体表面疏水亲油的表面改性剂;对于陶瓷坯料中使用的无机颜料不仅要求其在干态下的有良好的分散性,而且要求其与无机坯料的亲和性好,能够在坯料中均匀分散;对于水性漆或涂料中使用的无机粉体(填料或颜料)的表面改性剂则要求改性后粉体在水相中的分散性、沉降稳定性和配伍性好。对于无机表面改性剂则主要根据应用领域对粉体材料功能性的要求来选择,例如,要使钛白粉的耐候性和化学稳定性好,就要采用SiO2和Al2O3进行表面包覆(膜),要使白云母颜料具有良好的珠光效应就要采用TiO2进行表面包覆(膜)。
 
同时,不同应用体系的组分不同,选择表面改性剂时还须考虑与应用体系组分的相容性和配伍性,避免因表面改性剂而导致体系中其他组分功能的失效。
 
(3)改性工艺
 
改性工艺也是选择表面改性剂的重要考虑因素之一,如温度、压力以及环境因素等。所有的有机表面改性剂都会在一定的温度下分解,如硅烷偶联剂的沸点依品种不同在100~310℃之间变化。因此,所选择的表面改性剂的分解温度或沸点最好高于应用时的加工温度。
 
目前的表面改性工艺主要采用干法和湿法二种。对于干法工艺不必考虑其水溶性的问题,但对于湿法工艺要考虑表面改性剂的水溶性,因为只有能溶于水才能在湿式环境下与粉体颗粒充分地接触和反应。例如碳酸钙粉体干法表面改性时可以用硬脂酸(直接添加或用有机溶剂溶解后添加均可),但在湿法表面改性时,如直接添加硬脂酸,不仅难以达到预期的表面改性效果(主要是物理吸附),而且利用率低,过滤后表面改性剂流失严重,滤液中有机物排放超标。其他类型的有机表面改性剂也有类似的情况。因此,对于不能直接水溶而又必须在湿法环境下使用的表面改性剂,必须预先将其皂化、铵化或乳化,使其能在水溶液中溶解和分散。
 
(4)价格和环境因素
 
最后,选择表面改性剂还要考虑价格和环境因素,在满足应用性能要求或应用性能优化的前提下,尽量选用价格较便宜的表面改性剂,以降低表面改性的成本。同时要注意选择不对环境造成污染的表面改性剂。
 
2、表面改性剂的用量
 
理论上在颗粒表面达到单分子层吸附所需的用量为最佳用量,该用量与粉体原料的比表面积和表面改性剂分子的截面积有关,但这一用量不一定是100%覆盖时的表面改性剂用量,对于无机表面包覆改性,不同的包覆率和包膜层厚度可能表现出不同的特性,如颜色、光泽等。因此,实际最佳用量的确定还是要通过改性试验和应用性能试验来确定,这是因为表面改性剂的用量不仅与表面改性时表面改性剂的分散和包覆的均匀性有关,还与应用体系对粉体原料的表面性质和技术指标的具体要求有关。
 
对于湿法改性,表面改性剂在粉体表面的实际包覆量不一定等于表面改性剂的用量,因为总是有一部分表面改性剂未能与粉体颗粒作用,在过滤时被流失掉了。因此,实际用量要大于达到单分子层吸附所需的用量。
 
3、表面改性剂使用方法
 
表面改性剂的使用方法是表面改性剂配方的重要组成部分之一,对粉体的表面改性效果有重要影响,好的使用方法可以提高表面改性剂的分散程度和与粉体的表面改性效果,反之,使用方法不当就可能使表面改性剂的用量增加,改性效果达不到预期目的。
 
表面改性剂的用法包括配制、分散和添加方法以及使用两种以上表面改性剂时加药顺序。
 
(1)配制
 
表面改性剂的配制方法要依表面改性剂的品种、改性工艺和改性设备而定。不同的表面改性剂需要不同的配制方法,例如,对于硅烷偶联剂,与粉体表面起键合作用的是硅醇,因此,要达到好的改性效果(化学吸附)最好在添加前进行水解。对于使用前需要稀释和溶解的其他有机表面改性剂,如钛酸酯、铝酸酯、硬脂酸等要采用相应的有机溶剂,如无水乙醇、甲苯、乙醚、丙酮等进行稀释和溶解。对于在湿法改性工艺中使用的硬脂酸、钛酸酯、铝酸酯等不能直接溶于水的有机表面改性剂,要预先将其皂化、铵化或乳化为能溶于水的产物。
 
(2)添加方法
 
添加表面改性剂的最好方法是使表面改性剂与粉体均匀和充分的接触,以达到表面改性剂的高度分散和表面改性剂在粒子表面的均匀包覆。因此,最好采用与粉体给料速度连动的连续喷雾或滴(添)加方式,当然只有采用连续式的粉体表面改性机才能做到连续添加表面改性剂。
 
无机表面改性剂的配制方法比较特殊,需要考虑溶液pH值、浓度、温度、助剂等多种因素。例如,白云母表面包覆二氧化钛时,要预先将硫酸氧钛或四氯化钛进行水解。
 
(3)加药顺序
 
在选用二种以上的表面改性剂对粉体进行处理时,加药顺序也对最终表面改性效果有一定影响。在确定表面改性剂的添加顺序时,首先要分析二种表面改性剂各自所起的作用和与粉体表面的作用方式(是物理吸附为主还是化学吸附为主)。一般来说先加起主要作用和以化学吸附为主的表面改性剂,后加起次要作用和以物理吸附为主的表面改性剂
 
例如混合使用偶联剂和硬脂酸时,一般来说,应先加偶联剂,后加硬脂酸,因为添加硬脂酸的主要目的是强化粉体的疏水亲油性以及减少偶联剂的用量、降低改性作业的成本。
 
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