中國粉體網(wǎng)訊  礦物粉體由于價(jià)格低廉，能夠改善基體材料的性能，而在塑料、橡膠、造紙、涂布及涂料等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是由于礦物晶體粉碎過程中表現(xiàn)出沿解理面解理破裂的強(qiáng)烈傾向，使得礦物粉體表面具有平整的解理面及尖銳的棱角。平整的解理面使得礦物粉體和基體結(jié)合力差，尖銳的棱角又是材料破壞過程中的應(yīng)力集中點(diǎn)，易引發(fā)裂紋造成材料的失效，影響了礦物粉體作用的更好發(fā)揮。因此如何對(duì)礦物粉體表面進(jìn)行形貌修飾，制備高附加值、高科技含量的礦物粉體，是粉體材料工程領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。

礦物粉體表面納米化修飾技術(shù)

目前工業(yè)上礦物粉體表面改性常用的方法主要有表面化學(xué)包覆改性法、沉淀反應(yīng)改性法和機(jī)械化學(xué)改性法及復(fù)合法。其中常用的偶聯(lián)劑包覆改性只能在一定程度上改善界面的相容性。礦物顆粒粉碎時(shí),，所形成的銳利棱角、應(yīng)力集中點(diǎn)和平整的晶體解理面,，直接影響到礦物粉體填料的使用效果。其他改性方法也具有一定局限。因此對(duì)礦物粉體進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的表面改性新方法、新工藝成為急需解決的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題。

清華大學(xué)材料系粉體工程研究室研制開發(fā)的“礦物粉體表面納米化修飾技術(shù)”,即用化學(xué)方法在微米粒級(jí)的重質(zhì)碳酸鈣、硅灰石等礦物粉體表面包覆納米級(jí)顆粒。礦物粉體的表面納米化修飾不僅消除了礦物顆粒棱角，還在表面包覆一層納米顆粒。包覆后礦物顆粒表面尖銳棱角被包覆的納米顆粒層鈍化，平整光滑的解理面也因納米顆粒層的沉積而變得粗糙。其表面既具備納米顆粒的優(yōu)異特性，又改變了微米級(jí)礦物顆粒的表面特征。將納米化修飾后的礦物粉體填充到聚合物材料基體中,將緩解銳利的棱角和平整的晶體解理面造成的復(fù)合材料內(nèi)的局部應(yīng)力集中問題，從而獲得高性能的復(fù)合材料。

礦物粉體表面納米化修飾技術(shù)的研究進(jìn)展

固體顆粒表面納米化修飾方法根據(jù)復(fù)合粒子制備時(shí)所處狀態(tài)的不同，可分為固相法、液相法和氣相法。其中常用的方法有：沉淀法、溶膠-凝膠法、化學(xué)鍍法、非均勻形核法、機(jī)械化學(xué)法、醇鹽水解法、非均相凝固法、超臨界流體法等。眾多方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以針對(duì)不同的應(yīng)用背景有針對(duì)性地進(jìn)行選擇。

超臨界流體快速膨脹法簡便，效率高，但是主要用于粉體表面的物理包覆，包覆層和基體間化學(xué)作用較少，因此結(jié)合強(qiáng)度不高。

化學(xué)鍍法主要用于粉體的表面金屬鍍層。

沉淀法則反應(yīng)周期長，效率低，反應(yīng)過程不易控制。

溶膠—凝膠法則反應(yīng)成本高，過程控制也較為復(fù)雜。

醇鹽水解法則難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)。

非均相凝固法通過表面電荷吸附形成包覆，包覆層結(jié)合強(qiáng)度較弱。

非均勻形核法則通過控制反應(yīng)體系中物質(zhì)過飽和濃度，使得包覆層物質(zhì)在基體上非均勻形核而實(shí)現(xiàn)包覆，該方法易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，且可以精確控制包覆層物質(zhì)濃度與厚度。

機(jī)械化學(xué)法則通過對(duì)研磨過程中的機(jī)械力強(qiáng)度等條件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)納米顆粒對(duì)重質(zhì)碳酸鈣的包覆，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展，適用于大批量的生產(chǎn)。

礦物粉體表面納米化修飾技術(shù)在碳酸鈣中的應(yīng)用

碳酸鈣表面納米化修飾的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

其一，在微米級(jí)碳酸鈣粉體表面包覆一層納米碳酸鈣，可利用納米顆粒的特性，使復(fù)合顆粒在填充應(yīng)用時(shí)，實(shí)現(xiàn)其在材料界面處的納米化結(jié)合。這相當(dāng)于提高了微米級(jí)碳酸鈣的使用功能和價(jià)值。

其二，經(jīng)表面納米化修飾，微米碳酸鈣顆粒表面尖銳的棱角可將被納米顆粒層鈍化，其平整光滑的解理面也因顆粒表面納米結(jié)構(gòu)的存在而變得粗糙。復(fù)合碳酸鈣顆粒填充到基體材料中將可以緩解尖銳的棱角和平整的晶體解理面造成的復(fù)合材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中問題，從而改善制品的力學(xué)性能。

其三，相應(yīng)地解決了納米碳酸鈣顆粒直接應(yīng)用時(shí)難以分散等問題。

樊世民采用非均勻形核法對(duì)重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面納米化修飾研究，在礦物粉體顆粒、Ca(OH)2顆粒懸浮液中，通入CO2氣體，反應(yīng)生成碳酸鈣晶粒包覆于礦物粉體母顆粒表面而實(shí)現(xiàn)。

表面納米化修飾過程模擬圖

王永魁用機(jī)械化學(xué)法，借助碳酸鈣濕法超細(xì)研磨過程中產(chǎn)生的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)及由此形成的顆粒表面活性，在重質(zhì)碳酸鈣和納米碳酸鈣的濕法超細(xì)研磨體系中實(shí)現(xiàn)碳酸鈣顆粒表面納米化修飾。

重質(zhì)碳酸鈣顆粒表面納米化修飾的工藝流程圖

吳成寶等為減少重質(zhì)碳酸鈣表面的銳利棱角和在粉碎過程中形成的晶體解理面，采用表面納米修飾方法，在Ca(OH)2-CO2-H2O體系中制備了表面納米修飾重質(zhì)碳酸鈣，并表征包覆前后顆粒的表面形貌。研究表明，納米修飾后，重質(zhì)碳酸鈣表面的棱角被鈍化，晶體解理面減少；在重質(zhì)碳酸鈣顆粒表面上生成納米碳酸鈣粒子使得重質(zhì)碳酸鈣顆粒的粒徑變大；經(jīng)硬脂肪酸表面改性后碳酸鈣樣品的粒徑增大。

未表面納米修飾和表面納米修飾重質(zhì)碳酸鈣的粒度及粒度分布

小結(jié)

表面納米化修飾方法成本低廉，利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)技術(shù)改造即可達(dá)到納米化修飾和提高非金屬礦物粉體高附加值的目的，該技術(shù)的研制成功為超細(xì)工業(yè)礦物原料的開發(fā)利用提供了一條有效的途徑。

參考資料：

樊世民.礦物粉體表面納米化修飾技術(shù)研究與應(yīng)用

王永魁.碳酸鈣濕法超細(xì)研磨中表面納米化修飾技術(shù)研究

吳成寶等.表面納米修飾重質(zhì)碳酸鈣的制備及形貌特征和粒度表征

蓋國勝等.工業(yè)礦物原料表面納米化包覆技術(shù)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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