無機(jī)納米粉體表面改性研究進(jìn)展

肖穎

摘 要：無機(jī)納米粉體表面改性使粉體表面特性發(fā)生改變，從而賦予粉體材料新的功能，滿足粉體各種性能的應(yīng)用要求。本文闡述了幾種常用的表面改性方法。

關(guān)鍵詞：無機(jī)納米粉體;表面改性

引言

無機(jī)納米粉體顆粒具有量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)，在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面有廣闊的應(yīng)用前景[1]。納米微粒徑小，比表面積大、表面能和表面面活性高，容易團(tuán)聚在一起形成尺寸較大的團(tuán)聚體，給納米微粒的制備帶來困難。在制備的同時進(jìn)行表面改性是解決或減輕團(tuán)聚問題的有效方法。表面改性是指采用表面添加劑與顆粒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用，從而改變微粒的表面狀態(tài)，改善或改變粉體的使用性能的處理過程。本文探討了目前比較常用的幾類表面改性方法。

1.機(jī)械力化學(xué)改性

機(jī)械力化學(xué)改性是利用粉碎、研磨等機(jī)械手段，使粉體的晶格結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，體系內(nèi)能增大，溫度升高，促使粉體粒子不斷分解成小顆粒，從而和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)結(jié)合或附著，達(dá)到表面改性的目的[2]。張超凡等利用高能球磨機(jī)，通過機(jī)械力作用和機(jī)械力化學(xué)作用分別對鈣基膨潤土進(jìn)行改性，采用機(jī)械力化學(xué)法，以焦磷酸鈉為改性劑，可促進(jìn)膨潤土層間鈣離子被鈉離子置換，從而達(dá)到減小粒度和對其表面進(jìn)行改性的雙重目的[3]。機(jī)械力化學(xué)改性既可以用濕法工藝也可用干法工藝。影響改性效果的因素主要是改性設(shè)備的參數(shù)，如攪拌研磨的強(qiáng)度、作用時間、反應(yīng)溫度等。

2.液相包覆改性

此法指在無機(jī)粉體顆粒表面沉積氧化物或氫氧化物類物質(zhì)。常用的有沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、化學(xué)鍍法。

2.1沉淀法

向溶液中加入沉淀劑或引發(fā)體系中沉淀劑的生產(chǎn)，使離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，在顆粒表面析出，對顆粒進(jìn)行包覆。曹安民等將所要包覆的核與鋁鹽混合，通過原位產(chǎn)生堿性環(huán)境或者外加堿來沉淀金屬鋁，使之在核表面實現(xiàn)均一連續(xù)、可控的包覆[4]。

2.2溶膠-凝膠法

此法是先將改性劑前驅(qū)物制成溶膠，再將被包覆顆粒與溶膠混勻，然后溶膠經(jīng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，高溫煅燒凝膠得到外表面包覆有改性劑的粉體。朱美芳等將海膽狀多晶須羥基磷灰石進(jìn)行溶膠凝膠法改性、硅烷化改性，晶須表面的SiO2包覆層能夠提高其粗糙度，并與樹脂間形成錨固作用，增強(qiáng)晶須的固位力，包覆層通過氫鍵或共價鍵的作用改善填料/基體兩相界面相容性，有效提高了復(fù)合樹脂的力學(xué)性能[5]。

2.3微乳液法

微乳液是由兩種或兩種以上互不相溶液體形成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性、外觀透明或半透明的分散體系，微觀上液滴由表面活性劑界面膜所穩(wěn)定。其通常由表面活性劑、助表面活性劑、有機(jī)溶劑和水溶液組成。李培培等采用脲醛樹脂包覆氫氧化鎂，改性后氫氧化鎂表面有一層薄膜，推斷在樹脂固化的過程中樹脂是以氫氧化鎂為核進(jìn)行生長包覆的。由于包覆沒有化學(xué)鍵的形成，所以對氫氧化鎂晶體結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，改性后未降低氫氧化鎂對高聚物的阻燃效果[6]。

2.4 化學(xué)鍍法

化學(xué)鍍是通過溶液中適當(dāng)?shù)倪€原劑使金屬離子在金屬表面的自催化作用下還原而進(jìn)行的金屬沉積過程。由于粒子的團(tuán)聚性，在化學(xué)鍍液中應(yīng)添加適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┦沽Ｗ釉阱円褐蟹稚ⅰＱi皓等采用化學(xué)鍍銅法對SiC顆粒表面進(jìn)行了改性處理，使SiC顆粒在金屬基體液中分散更均勻、鍍覆更好 [7]。

3.高能表面改性

高能改性是利用等離子體、電暈放電、紫外線照射等手段，對粉體表面進(jìn)行激發(fā)改性。作用時產(chǎn)生的局部高溫高壓、強(qiáng)沖擊波等，較大程度地弱化了微粒間的相互作用，有效防止微粒團(tuán)聚，使之充分分散。唐曉龍等將檸檬酸與醋酸錳按一定摩爾比混合，用去離子水溶解并攪拌，進(jìn)行發(fā)泡處理，將得到的泡沫狀固體烘干、高溫焙燒得到催化劑前體，然后將該催化劑前體置于等離子體反應(yīng)器中在一定條件下進(jìn)行改性處理，顯著提高了催化劑的低溫氧化活性[8]。

4.有機(jī)物包覆改性

利用表面活性劑、偶聯(lián)劑、接枝聚合物等與顆粒表面進(jìn)行某種化學(xué)反應(yīng)，從而賦予顆粒新的性質(zhì)的一種方法。王升文將經(jīng)油酸改性的納米TiO2與二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和環(huán)氧樹脂（E51）充分反應(yīng)，得到的復(fù)合乳液通過紅外光譜、掃描電鏡等手段表征和分析，證實了改性納米TiO2成功接枝到環(huán)氧-聚氨酯共聚物分子鏈上并形成穩(wěn)定的三元復(fù)合材料，所得三元復(fù)合乳液的穩(wěn)定性能好，涂膜的耐水性能和力學(xué)拉伸性能強(qiáng)，抗紫外、抗老化性能有明顯提高[9]。

5.電化學(xué)改性[10]

當(dāng)有電流通過電極作用于粉體顆粒時，各種離子間原有的平衡會被打破，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)過程，使離子組成發(fā)生變化，從而引起顆粒表面成分及其特性發(fā)生變化。例如，在電化學(xué)改性過程中，可增加顆粒表面粗糙度，吸附表面活性劑能力增強(qiáng);通過控制電位，可調(diào)節(jié)顆粒的親水、疏水電化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到選擇性分離的目的，甚至可改變顆粒表面的磁性。這些在礦物的浮選與分離中已得到廣泛應(yīng)用。徐海波等人采用恒電流和恒電流階躍兩種電化學(xué)法改性石墨，發(fā)現(xiàn)采用恒電流法改性的石墨表面由于過氧化物的形成出現(xiàn)裂縫，而恒電流階躍法改性后的石墨表面較為均勻，單位面積具有較高電容量（ 2.08 F？cm-2）和良好倍率特性。

結(jié)語

無機(jī)納米粉體表面改性的目的可以概括為：提高粉體的化學(xué)反應(yīng)活性以利于材料的合成;改善粉體的界面親和性以利于填充材料的力學(xué)性能;調(diào)控粉體表面各種凝聚力以利于粉體的分散應(yīng)用;獲得粉體表面特殊物理性能以利于功能性粉體制備。因此，無機(jī)粉體表面改性是材料制備過程工程的重要手段，也是新材料、新工藝和新產(chǎn)品開發(fā)的重要內(nèi)容，值得進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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[6]李培培，陳建銘，宋云華.微膠囊化改性氫氧化鎂及其在低密度聚乙烯中的阻燃性能研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，38（2）：76-80

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