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超細粉體的應用及其表面改性機理淺析


發布時間:2016-4-21 點擊:



超細粉體的應用及其表面改性機理淺析

           劉濤(上海匯精亞納米新材料有限公司

                鳳陽匯精納米新材料科技有限公司)

功能材料是高分子材料研究、開發、生產和應用中最活躍的領域之一,在材料科學中具有十分重要的地位。超細粉體不僅是一種功能材料,而且其為新的功能材料的復合更使之具有廣闊的應用前景,在國民經濟各個領域都有著廣泛的應用,起著極其重要的作用。

一: 超細粉體的性質及應用

1. 超細粉體表面特性

超細粉體科學與技術是近年來發展起來的一門新的科學技術,是材料科學的一個重要組成部分。對于超細粉體統一定義,一般將粒徑大于1μm的粉體稱為微米粉體,粒徑處于0.1-1μm之間的粉體稱為亞微米粉體,粒徑小于100nm的粉體稱為納米粉體,也有人將粒徑小于3μm的粉體稱為超細粉體。超細粉體通常又分為微米粉體、亞微米粉體及納米粉體。超細粉體的粒徑與其特性的關系如下表所示。

2.超細粉體表面結構

       根據晶體的空間結構,可以分為四種類型緊密堆積結構、骨架結構、層狀結構和鏈狀結構。晶體受外力作用破壞時,將沿著晶體構造中鍵合力最弱的地方斷裂。在斷裂面上均產生得不到補償的斷鍵,即不飽和鍵。不同化學組成的超細粉體在新鮮表面具有極不相同的不飽和度。根據斷裂鍵能的性質,表面不飽和鍵有強弱之分,斷裂面以離子鍵和共價鍵為主的是強不飽和鍵,表面為極性表面斷裂面以分子鍵為主的為弱不飽和鍵,表面為非極性表面。超細粉體不同,表面官能團的種類和數量不同,同一超細粉體表面官能團有一定的分布。

3超細粉體的應用

(1)超細粉體在塑膠領域中的應用

    超細粉體在化工領域中的應用十分廣泛,在涂料、塑料、橡膠、造紙、催化、裂解、有機合成、化纖、油墨等領域都有廣泛的應用。在塑料行業,將超細粉體與塑料復合可起到增強增韌的作用,如將納米碳酸鈣表面改性后,對材料的缺口抗沖擊強度和雙缺口沖擊強度的增韌效果十分顯著,而且加工性能依然良好。

    除此之外,超細粉體的加入,可以改善復合材料的耐老化性,防止塑料光輻射老化,提高塑料制品的使用壽命。同時超細粉體還可以使復合材料功能化,如抗靜電塑料、阻燃塑料、自清潔塑料等。

(2)在催化劑行業

    作為催化劑使用,超細粉體主要根據其比表面積大、表面原子配位不全等導致表面的活性位置增加,表面的活性中心多。超細粉體的表面效應決定了它具有良好的催化活性和催化反應選擇性。催化劑是超細粉體應用的重要領域之一,國際上已經作為第四代催化劑進行研究和開發,采用納米級催化劑可以使化學反應速度大幅度提高,完成化學反應時間大大縮短,生產效率大大提高,每克燃料的燃燒熱可增加一倍。

(3)在涂料領域

       超細粉體可用于制備納米改性涂料和納米結構涂料。利用納米顆粒的某些功能對現有涂料進行改性,提高涂料的性能,納米改性涂料就是采用特殊的工藝制備加入超微細納米材料的涂料,使得納米涂料具有了光學、力學及環保功能。如:納米陶瓷涂料、納米不粘涂料、自潔涂料、航空燒蝕涂料等。

(4)超細粉體在材料領域中的應用

       超細粉體在材料領域中的應用主要體現在陶瓷材料、建筑材料、特種功能材料等方面的應用。在陶瓷應用領域,由于超細粉體的高表面能,表面原子數多,活性強等性質,可以作為燒結過程的活化劑使用,以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。同時超細粉體可以顯著改善陶瓷材料的顯微組織,優化其性能,在較低的溫度下燒結就能達到致密化的目的,因此特別適合用于電子陶瓷的制備。

     在特種功能材料應用領域,超細粉體的表面性質決定了它對外界環境,例如溫度、光、濕氣等十分敏感,外界環境的變化會迅速引起其表面或表面離子價態和電子運輸的變化,即引起其電阻的顯著變化,超細粉體的這種特有性能使之成為在傳感器方面最有應用前途的材料,可研制出響應速度快、靈敏度高、選擇性好的各種不同用途的傳感器。

(5)超細粉體在日用化工領域中的應用

    納米技術在抗菌、除味、凈化空氣等方面具有廣闊的前景。納米二氧化鈦、納米氧化鋅的光催化性能和生物降解殺菌性能已在空氣凈化器、納米洗衣機、納米冰箱、納米牙刷、納米毛巾等產品中得到驗證。在護膚、化妝品、服裝等方面,超細粉體的作用也十分重要。

    例如在防曬膏中若采用納米二氧化鈦,則可以大大提高膏體的質量、防曬護膚的效果。在牙、洗發液、洗潔精、去污粉中,也有大量使用各種粉體,若將這些粉體超細化后,其使用性能必然大大提高。

(6)超細粉體在醫藥和生物領域中的應用

    在醫藥和生物應用領域,在藥劑學中控制釋放給藥系統是通過物理、化學等方法改變制劑的結構,使藥物在預定的時間內,自動按某一速度從劑型中恒速釋放,作用于器官或特定靶組織,并使藥物濃度較長時間維持在有效濃度內的一類制劑。微粒或納米粒作為給藥系統,其制備材料基本都是無毒,生物相容性好, 有一定機械強度和穩定性,與藥物不發生化學反應當微粒和納米粒通過非腸道給藥時,要求材料具有生物降解性,微粒和納米粒系統被網狀上皮細胞豐富的肝、脾、肺等吸收,作為外來異物被巨噬,有些顆粒能被溶解酶體中的酶系攻擊,導致其裂解并釋放藥物,顆粒的粒徑直接影響其體內分布。超細粉體還具有靶向性,可保護被包覆物質避免破壞等優越特性。將藥品加工為超細粉體可增加其在體內的滯留時間,提高生物利用度。可見,超細粉體技術在醫藥和生物領域的應用相當重要。

二:  超細粉體填充改性機理分析

    超細粉體填充改性塑料中正是由于界面區的存在,通過界面區將樹脂基體和填充材料結合成一個整體,并通過它傳遞外場作用。界面的存在也將復合材料分割成許多微區,因此阻止了裂紋的擴展、使材料破壞中斷、應力集中的減緩等功能。目前界面工程科學工作者認為界面作用機理主要有下面幾種理論。

1  化學鍵理論

    該理論認為,一些填充改性塑料體系填充材料和樹脂基體間之所以形成強的結合,是因為通過化學鍵將兩者連接在一起。化學鍵的連接有幾種類型樹脂基體分子鏈上的官能團與填料表面的官能團發生化學反應填料材料表面用偶聯劑、超分散劑等處理,表面處理劑分子一部分帶有可與填充材料表面官能團反應的基團,另一部分含有可與樹脂基體大分子反應的官能團,形成填充材料與樹脂基體之間的化學鍵連接界面區中的表面活性劑分子,其一端與填充材料表面的官能團反應形成化學鍵,另一端與樹脂基體發生化學反應,但以某種形式形成強的結合,或者是相反的情況。

    化學鍵理論廣泛解釋了表面處理劑的作用,對指導選擇表面處理劑、合成新的表面處劑,指導無機填充改性聚合物復合材料的制備起到決定性作用

(2)界面潤濕理論

    該理論認為,填充材料與樹脂基體間的結合模式屬于機械粘附與潤濕吸附。機械粘附模式是一種機械鉸合現象,即樹脂固化后,大分子進入填充材料表面的凹陷、微孔洞中形成機械鉸鏈潤濕吸附模型是物理吸附現象,是范德華力作用,兩種作用實際上往往同時存在。樹脂基體在填充材料表面良好的潤濕是極其重要的,若潤濕不良,受到外力的作用時,在界面處產生脫鉆,界面區就成了應力集中物,應力集中效應導致復合材料在低應力下破壞。若能形成完全潤濕,則由物理吸附產生的鉆附力能超過樹脂基體的內聚能,就能產生好的復合效果。

(3)減弱界面局部應力作用理論

    該理論認為,處于樹脂基體和填充材料之間的處理劑,提供了一種具有“自愈能力”的化學鍵。這種化學鍵在外力的作用下,處于不斷斷裂和形成的動態平衡狀態。當低分子物,如水浸蝕復合材料時,將使界面的化學鍵斷裂,同時在應力作用下,處理劑能沿填充材料的表面滑移到新的位置后,已斷裂的鍵又能重新結合成新鍵,使樹脂基體與填充材料之間仍能保持一定的薪合強度。這個變化過程的同時,也使應力松弛,從而減弱了界面區中第一類微觀應力集中,也可減緩復合材料的破壞。

(4)變形層理論

    該理論認為,對填充材料進行表面處理的處理劑在填充材料與樹脂基體間的界面形成了一層塑性層,當受到外力作用時,它能發生形變,松弛界面應力作用,同時還能阻止裂紋擴展,使復合材料免遭破壞。

(5)抑制層理論

    該理論認為,對填充材料進行表面處理的處理劑構成了界面區的一部分,其彈性模量介于高彈性模量的填充材料和低彈性模量的樹脂基體之間,能起到均勻傳遞應力,從而減弱界面應力作用。摩擦理論該理論認為,樹脂基體與填充材料間界面的形成粘接是由于摩擦作用,樹脂基體與填充材料間的摩擦系數決定了復合材料的強度。對填充材料進行表面處理,其作用在于增加了樹脂基體與填充材料間的摩擦系數,從而使復合材料的強度提高。



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