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影響粉體物料表面改性效果的四大主要因素

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-06-17  來源:中國粉體技術網  瀏覽次數:57
核心提示:影響粉體物料表面改性效果的四大主要因素
影響粉體物料表面改性效果的四大主要因素

  1、粉體的表面性質

      粉體的比表面積、粒度大小和粒度分布、比表面能、表面官能團、表面酸堿性、表面電性、潤濕性、溶解或水溶特性、水分含量、團聚性等均對有機化學包覆改性效果有影響,是選擇表面改性劑配方、工藝方法和設備的重要考慮因素。

      在忽略粉體孔隙率的情況下,粉體的比表面積與粒度大小呈反比關系。也即,粒度越細,粉體的比表面積越大。在要求一定單分子層包覆率和使用同一種表面改性劑的情況下,粉體的粒度越細,比表面積越大,表面改性劑的用量越大。

      比表面能大的粉體物料,一般傾向于團聚,這種團聚體如果不能在表面改性過程中解聚,就會影響表面改性的效果及改性產品的應用性能。因此,團聚傾向很強的粉體最好在與表面改性劑作用前進行解團聚。

      粉體的表面物理化學性質,如表面電性、潤濕性、官能團或基團、溶解或水解特性等直接影響其與表面改性劑分子的作用,從而影響其表面改性的效果。因此,表面物理化學性質也是選擇表面改性工藝方法的重要考慮因素之一。

      粉體表面官能團的類型影響有機表面改性劑與無機顆粒表面的作用或作用的強弱,能與有機表面改性劑分子中極性基團產生化學鍵合或化學吸附的無機顆粒表面,改性劑在顆粒表面的包覆較牢固;僅靠物理吸附與無機顆粒表面作用的表面改性劑,與表面的作用力較弱,在顆粒表面包覆不牢固,在一定條件下(如剪切、攪拌、洗滌)可能吸附。所以,選擇表面改性劑時要考慮無機顆粒表面官能團的性質。例如,對含硅酸較多的石英粉、黏土、硅灰石、水鋁石等酸性礦物,選用硅烷偶聯劑效果較好,對不含游離酸的碳酸鈣等堿性礦物填料,用硅烷偶聯劑效果欠佳。這是因為硅烷偶聯劑分子與石英表面官能團的作用較強,而與碳酸鈣表面官能團的作用較弱。顆粒表面的酸堿性也對顆粒表面與表面改性劑分子的作用有影響。在用表面活性劑對無機粉體進行表面化學包覆改性時,粉體顆粒表面與各種有機官能團作用的強弱順序大致是:當表面呈酸性時(如二氧化硅),胺>羧酸>醇>苯酚;當表面呈中性時(氧化鋁、氧化鐵),羧酸>胺>苯酚>醇;當表面呈堿性時(氧化鎂、氧化鈣),羧酸>苯酚>胺>醇。

      無機顆粒表面的含水量也對顆粒與某些表面改性劑的作用產生影響,例如單烷氧基型鈦酸酯的耐水性較差,不適用于含濕量較高的無機粉體;而單烷氧基焦磷酸酯型和螯合型鈦酸酯偶聯劑則能用于含濕量或吸附水較高的無機粉體,如陶土、滑石粉等的表面改性。

  2、表面改性劑的配方

      粉體的表面化學包覆改性在很大程度上是通過表面改性劑在粉體顆粒表面的作用來實現的,因此,表面改性劑的配方是表面改性技術的核心,對粉體表面的改性效果或改性產品的應用性能有重要影響。

  2.1表面改性劑的品種

      表面改性劑的品種是實現粉體表面改性預期目的的關鍵,具有很強的針對性。從表面改性劑分子與無機粉體表面作用的角度來考慮,應盡可能選擇與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強烈攪拌或擠壓作用下容易脫附。但是,在實際選用時還必須考慮產品用途或基料種類、產品質量標準或要求、改性工藝及成本、環保等。

      產品的用途或基料種類是選擇表面改性劑品種最重要的考慮因素。不同的應用領域基料對粉體的性能或技術要求不同,如表面潤濕性、分散劑、酸堿性、電性、耐候性、光澤、抗菌劑等,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、膠黏劑、油性或溶劑型涂料的無機粉體要求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親有機的表面改性劑;在選擇包覆用于電阻率的影響;對于無機阻燃填料既要考慮有機樹脂的相容性,還要考慮阻燃劑和填充材料的力學性能;對于陶瓷胚料中使用的無機顏料不僅要求其在干態下有良好的分散性,而且要求其與無機胚料的親和性好,能夠在胚料中均勻分散;對于水性漆或涂料中使用的無機粉體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。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。此外,選擇表面改性劑品種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。

      改性工藝也是選擇表面改性劑品種的重要考慮因素之一。目前的表面改性工藝主要采用干法和濕法兩種。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環境下與粉體顆粒充分接觸和反應。例如碳酸鈣粉體干法表面改性時可以用硬脂酸,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,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有機表面改性劑,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。
最后,選擇表面改性劑還要考慮價格和環境因素,在滿足應用性能要求或應用性能優化的前提下,盡量選用價格較便宜的表面改性劑 ,以降低表面改性的成本。同時要注意選擇不對環境造成污染的表面改性劑。

  2.2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,實際最佳用量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,因為總是用一部分表面改性劑未能與粉體顆粒作用,在過濾時流失了。因此,實際用量要大于達到單分子層吸附所需的用量。

      進行化學包覆改性時,表面改性劑的用量與包覆率存在一定的對應關系,一般來說,在開始時,隨著用量的增加,粉體表面的包覆率提高很快,但隨著增勢趨緩,至一定用量后,表面包覆率不再增加。因此,用量過多是不必要的,從經濟角度來說用量過多既無必要,也增加了生產成本。

  2.3表面改性劑的使用方法

      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嚴重影響,正確的使用方法可以提高表面改性劑的分散程度和分體的作用效果;反之,使用方法不當就可能達不到預期的改性目的。

      表面改性劑的用法包括配置。分散和添加方法以及使用兩種以上表面改性劑時加藥的順序。表面改性劑的配置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,如碳酸酯、鋁酸酯、硬脂酸等要采用相應的有機溶劑,如無水乙醇、異丙醇、甘油、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。

      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聯動的連續噴霧或滴加方式,當然只有采用連續式的粉體表面改性機才能方便做到連續添加表面改性劑。

      由于無機粉體表面性質的不均一性,有時混合使用兩種或兩種以上表面改性劑較單一表面改性劑的效果要好。例如,聯合使用鈦酸酯偶聯劑和硬脂酸對碳酸鈣進行表面改性,不僅可以提高表面處理效果,而且還可以減少鈦酸酯偶聯劑的用量,降低生產成本。但是,在選用兩種以上的表面改性劑對粉體進行處理時,加藥順序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,首先要分析兩種表面改性劑各自所起的作用和與粉體表面的作用方式。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,后加其次要作用和以物理吸附為主的表面改性劑,如果兩種表面改性劑的作用相同或相近,也可以同時添加。

  3、表面改性工藝

      表面改性劑配方確定以后,表面改性工藝是決定表面有機化學包覆改性效果最重要的影響因素之一。改性工藝要滿足表面改性劑的應用要求或應用條件,對表面改性劑的分散性好,能夠實現表面改性劑在粉體表面均勻且牢固的包覆;同時要求工藝簡單、參數可控性好、產品質量穩定,而且能耗低、污染小,因此,選擇表面改性劑時至少要考慮以下因素:

      1)表面改性劑的特性,如水溶性、水解性、沸點或分解溫度等;

      2)前段粉碎或粉體制備作業是濕法還是干法,如果是濕法作業可考慮采用濕法改性工藝;

      3)改性工藝條件,如表面改性溫度和改性時間等。

      為了達到良好的表面化學包覆效果,一定的表面改性溫度和時間是必須的。選擇改性溫度首先考慮表面改性劑對溫度的敏感性,以防止表面改性劑因溫度過高而分散、揮發。但溫度過低改性劑與粉體顆粒作用時間較長、效率較低,對于通過溶劑溶解的表面改性劑來說,溫度過低,溶劑揮發不完全,將影響有機化學包覆效果。改性時間對粉體表面改性效果的影響對不同的改性工藝是不同的。從有機表面改性劑分子與無機粉體顆粒表面活性集團的吸附或化學反應角度來講,在合適的溫度下一般需要的時間是很短的。但是對于間歇式表面改性工藝,時間太短,只有部分顆粒表面吸附了表面改性劑,另有部分或大部分顆粒沒有機會與表面改性劑作用,也即改性劑與粉體顆粒作用不夠均勻,因此需要一定或較長的時間使大部分顆粒覆蓋上表面改性劑;間歇式干法表面改性,如用高速加熱混合機進行干法表面改性時,一般隨著時間的延長,粉體表面包覆率增加,到一定時間達到最大值,此后,繼續延長反應時間,包覆率不再增加;因此,間歇式表面改性工藝所述的改性時間實質是使無機粉體均勻作用或包覆有機表面改性劑所需的時間。對于連續式反應時間,包覆率不再增加;因此,間歇式表面改性工藝所述的改性時間實質是使無機粉體均勻作用或包覆有機表面改性劑所需要的時間。對于連續式表面改性工藝設備,因表面改性劑是按粉體的質量的一定配比、與粉體同步連續分散加入,容易實現有機表面改性劑與粉體顆粒的均勻作用,因此,與間歇式工藝相比,改性時間可以顯著縮短,這已為生產實踐所證明。

  4、表面改性設備

      在表面改性劑配方和表面改性工藝確定的情況下,表面改性設備就成為影響粉體表面化學包覆改性的關鍵因素。
表面改性設備性能的優劣,不在其轉速的高低或結構復雜與否,關鍵在于以下基本工藝特性:

      1)對粉體及表面改性劑的分散性;

      2)使粉體與表面改性劑的接觸或作用的機會的均等性;

      3)改性溫度和停留時間的可調性;

      4)單位產品能耗和磨耗;

      5)環保性能;

      6)設備運行的穩定性。

      高性能的表面改性機應能夠使粉體及表面改性劑的分散性好、粉體與表面改性劑的接觸或作用機會均等,以達到均勻的單分子層吸附、減少改性劑用量;同時,能方便調節改性溫度和反應或停留時間,以達到牢固包覆和使溶劑或稀釋劑完全蒸發;此外,單位產品能耗和磨耗應較低,環保性能好,設備操作簡便,運行平穩。

      SLG連續式粉體表面改性機是由江陰啟泰非金屬工程有限公司聯合中國礦業大學自主研發的一款用于各種無機粉體表面處 理的深加工設備,其主要技術指標達到國際先進水平,用于d97≤10μm超細輕(重)質碳酸鈣、煅燒高嶺土的表面改性,生產能力達到6.0t/h以上,活化指數≥98%,單位產品能耗≤35kwh/t。自1998年研發成功以來,已有500多臺(套)改性機用于各種粉體行業,并出口到俄羅斯、烏茲別克斯坦、馬來西亞、尼日利亞、印度尼西亞、阿聯酋、約旦、緬甸等十幾個國家。

      來源:中國粉體技術網  
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