超细粉体的应用及其表面改性机理浅析
刘涛(上海汇精亚纳米新材料有限公司 凤阳汇精纳米新材料科技有限公司)
功能材料是高分子材料研究、开发、生产和应用中最活跃的领域之一,在材料科学中具有十分重要的地位。超细粉体不仅是一种功能材料，而且其为新的功能材料的复合更使之具有广阔的应用前景,在国民经济各个领域都有着广泛的应用,起着极其重要的作用。
一：超细粉体的性质及应用
1.超细粉体表面特性
超细粉体科学与技术是近年来发展起来的一门新的科学技术，是材料科学的一个重要组成部分。对于超细粉体统一定义，一般将粒径大于1μm的粉体称为微米粉体，粒径处于0.1-1μm之间的粉体称为亚微米粉体,粒径小于100nm的粉体称为纳米粉体，也有人将粒径小于3μm的粉体称为超细粉体。超细粉体通常又分为微米粉体、亚微米粉体及纳米粉体。超细粉体的粒径与其特性的关系如下表所示。
2.超细粉体表面结构
根据晶体的空间结构,可以分为四种类型紧密堆积结构、骨架结构、层状结构和链状结构。晶体受外力作用破坏时，将沿着晶体构造中键合力最弱的地方断裂。在断裂面上均产生得不到补偿的断键，即不饱和键。不同化学组成的超细粉体在新鲜表面具有极不相同的不饱和度。根据断裂键能的性质，表面不饱和键有强弱之分，断裂面以离子键和共价键为主的是强不饱和键，表面为极性表面断裂面以分子键为主的为弱不饱和键，表面为非极性表面。超细粉体不同，表面官能团的种类和数量不同，同一超细粉体表面官能团有一定的分布。
3、超细粉体的应用
（1）超细粉体在塑胶领域中的应用
超细粉体在化工领域中的应用十分广泛,在涂料、塑料、橡胶、造纸、催化、裂解、有机合成、化纤、油墨等领域都有广泛的应用。在塑料行业,将超细粉体与塑料复合可起到增强增韧的作用,如将纳米碳酸钙表面改性后,对材料的缺口抗冲击强度和双缺口冲击强度的增韧效果十分显著,而且加工性能依然良好。
除此之外,超细粉体的加入,可以改善复合材料的耐老化性,防止塑料光辐射老化,提高塑料制品的使用寿命。同时超细粉体还可以使复合材料功能化,如抗静电塑料、阻燃塑料、自清洁塑料等。
（2）在催化剂行业
作为催化剂使用,超细粉体主要根据其比表面积大、表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加,表面的活性中心多。超细粉体的表面效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性。催化剂是超细粉体应用的重要领域之一,国际上已经作为第四代催化剂进行研究和开发,采用纳米级催化剂可以使化学反应速度大幅度提高,完成化学反应时间大大缩短,生产效率大大提高,每克燃料的燃烧热可增加一倍。
（3）在涂料领域
超细粉体可用于制备纳米改性涂料和纳米结构涂料。利用纳米颗粒的某些功能对现有涂料进行改性,提高涂料的性能,纳米改性涂料就是采用特殊的工艺制备加入超微细纳米材料的涂料,使得纳米涂料具有了光学、力学及环保功能。如：纳米陶瓷涂料、纳米不粘涂料、自洁涂料、航空烧蚀涂料等。
（4）超细粉体在材料领域中的应用
超细粉体在材料领域中的应用主要体现在陶瓷材料、建筑材料、特种功能材料等方面的应用。在陶瓷应用领域,由于超细粉体的高表面能,表面原子数多,活性强等性质,可以作为烧结过程的活化剂使用,以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。同时超细粉体可以显著改善陶瓷材料的显微组织,优化其性能,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,因此特别适合用于电子陶瓷的制备。
在特种功能材料应用领域,超细粉体的表面性质决定了它对外界环境,例如温度、光、湿气等十分敏感,外界环境的变化会迅速引起其表面或表面离子价态和电子运输的变化,即引起其电阻的显著变化,超细粉体的这种特有性能使之成为在传感器方面最有应用前途的材料,可研制出响应速度快、灵敏度高、选择性好的各种不同用途的传感器。
(5)超细粉体在日用化工领域中的应用
纳米技术在抗菌、除味、净化空气等方面具有广阔的前景。纳米二氧化钛、纳米氧化锌的光催化性能和生物降解杀菌性能已在空气净化器、纳米洗衣机、纳米冰箱、纳米牙刷、纳米毛巾等产品中得到验证。在护肤、化妆品、服装等方面,超细粉体的作用也十分重要。
例如在防晒膏中若采用纳米二氧化钛,则可以大大提高膏体的质量、防晒护肤的效果。在牙膏、洗发液、洗洁精、去污粉中,也有大量使用各种粉体,若将这些粉体超细化后,其使用性能必然大大提高。
（6）超细粉体在医药和生物领域中的应用
在医药和生物应用领域,在药剂学中控制释放给药系统是通过物理、化学等方法改变制剂的结构,使药物在预定的时间内,自动按某一速度从剂型中恒速释放,作用于器官或特定靶组织,并使药物浓度较长时间维持在有效浓度内的一类制剂。微粒或纳米粒作为给药系统,其制备材料基本都是无毒,生物相容性好,有一定机械强度和稳定性,与药物不发生化学反应当微粒和纳米粒通过非肠道给药时,要求材料具有生物降解性,微粒和纳米粒系统被网状上皮细胞丰富的肝、脾、肺等吸收,作为外来异物被巨噬,有些颗粒能被溶解酶体中的酶系攻击,导致其裂解并释放药物,颗粒的粒径直接影响其体内分布。超细粉体还具有靶向性,可保护被包覆物质避免破坏等优越特性。将药品加工为超细粉体可增加其在体内的滞留时间,提高生物利用度。可见,超细粉体技术在医药和生物领域的应用相当重要。
二：超细粉体填充改性机理分析
超细粉体填充改性塑料中正是由于界面区的存在,通过界面区将树脂基体和填充材料结合成一个整体,并通过它传递外场作用。界面的存在也将复合材料分割成许多微区,因此阻止了裂纹的扩展、使材料破坏中断、应力集中的减缓等功能。目前界面工程科学工作者认为界面作用机理主要有下面几种理论。
1化学键理论
该理论认为,一些填充改性塑料体系填充材料和树脂基体间之所以形成强的结合,是因为通过化学键将两者连接在一起。化学键的连接有几种类型树脂基体分子链上的官能团与填料表面的官能团发生化学反应，填料材料表面用偶联剂、超分散剂等处理,表面处理剂分子一部分带有可与填充材料表面官能团反应的基团,另一部分含有可与树脂基体大分子反应的官能团,形成填充材料与树脂基体之间的化学键连接界面区中的表面活性剂分子,其一端与填充材料表面的官能团反应形成化学键,另一端与树脂基体发生化学反应,但以某种形式形成强的结合,或者是相反的情况。
化学键理论广泛解释了表面处理剂的作用,对指导选择表面处理剂、合成新的表面处剂,指导无机填充改性聚合物复合材料的制备起到决定性作用。
（2）界面润湿理论
该理论认为,填充材料与树脂基体间的结合模式属于机械粘附与润湿吸附。机械粘附模式是一种机械铰合现象,即树脂固化后,大分子进入填充材料表面的凹陷、微孔洞中形成机械铰链润湿吸附模型是物理吸附现象,是范德华力作用,两种作用实际上往往同时存在。树脂基体在填充材料表面良好的润湿是极其重要的,若润湿不良,受到外力的作用时,在界面处产生脱钻,界面区就成了应力集中物,应力集中效应导致复合材料在低应力下破坏。若能形成完全润湿,则由物理吸附产生的钻附力能超过树脂基体的内聚能,就能产生好的复合效果。
（3）减弱界面局部应力作用理论
该理论认为,处于树脂基体和填充材料之间的处理剂,提供了一种具有“自愈能力”的化学键。这种化学键在外力的作用下,处于不断断裂和形成的动态平衡状态。当低分子物,如水浸蚀复合材料时,将使界面的化学键断裂,同时在应力作用下,处理剂能沿填充材料的表面滑移到新的位置后,已断裂的键又能重新结合成新键,使树脂基体与填充材料之间仍能保持一定的薪合强度。这个变化过程的同时,也使应力松弛,从而减弱了界面区中第一类微观应力集中,也可减缓复合材料的破坏。
（4）变形层理论
该理论认为,对填充材料进行表面处理的处理剂在填充材料与树脂基体间的界面形成了一层塑性层,当受到外力作用时,它能发生形变,松弛界面应力作用,同时还能阻止裂纹扩展,使复合材料免遭破坏。
（5）抑制层理论
该理论认为,对填充材料进行表面处理的处理剂构成了界面区的一部分,其弹性模量介于高弹性模量的填充材料和低弹性模量的树脂基体之间,能起到均匀传递应力,从而减弱界面应力作用。摩擦理论该理论认为,树脂基体与填充材料间界面的形成粘接是由于摩擦作用,树脂基体与填充材料间的摩擦系数决定了复合材料的强度。对填充材料进行表面处理,其作用在于增加了树脂基体与填充材料间的摩擦系数,从而使复合材料的强度提高。
