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源磊小課堂| 超細粉體表面包覆處理的14種方法

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發布時間:
2020-04-23
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源磊小課堂| 超細粉體表面包覆處理的14種方法

 

 

超細粉體通常是指粒徑在微米級或納米級的粒子。和大塊常規材料相比具有更大比表面積、表面活性及更高的表面能,因而表現出優異的光、熱、電、磁、催化等性能超細粉體作為一種功能材料近些年得到人們的廣泛研究,并在國民經濟發展各領域得到越來越廣泛的應用。

 

然而由于超細粉體獨有的團聚及分散問題使其失去了許多優異性能,嚴重制約了超細粉體的工業化應用。因此,如何避免超細粉體的團聚失效已成為超細粉體發展應用所面臨的難題。通過對超細粉體進行一定的表面包覆,使顆粒表面獲得新的物理、化學及其他新的功能,從而大大改善了粒子的分散性及與其他物質的相容性。表面包覆技術有效地解決了超細粉體團聚這一難題。

 
 
超細粉體表面包覆的機理
 

關于包覆機理,目前還在研究之中,尚無定論。主要的觀點有以下幾種:

  • 庫侖靜電引力相互吸引機理。這種觀點認為,包覆劑帶有與基體表面相反的電荷,靠庫侖引力使包覆劑顆粒吸附到被包覆顆粒表面。

  • 化學鍵機理。通過化學反應使基體和包覆物之間形成牢固的化學鍵,從而生成均勻致密的包覆層。

  • 過飽和度機理。這種機理從結晶學角度出發,認為在某一pH值下,有異相物質存在時,如溶液超過它的過飽和度就會有大量的晶核立即生成,沉積到異相顆粒表面形成包覆層。

 

 

 

超細粉體表面包覆的方法

 

 

1、機械混合法。利用擠壓、沖擊、剪切、摩擦等機械力將改性劑均勻分布在粉體顆粒外表面,使各種組分相互滲入和擴散,形成包覆。目前主要應用的有球石研磨法、攪拌研磨法和高速氣流沖擊法。該方法的優點是處理時間短,反應過程容易控制,可連續批量生產,較有利于實現各種樹脂、石蠟類物質以及流動性改性劑對粉體顆粒的包覆。但此法僅用于微米級粉體的包覆,且要求粉體具有單一分散性。


 

超細粉體材料改性包覆機

 

2、固相反應法。把幾種金屬鹽或金屬氧化物按配方充分混合、研磨,再進行煅燒,經固相反應直接得到超細包覆粉。

 

3、水熱法。在高溫高壓的密閉體系中以水為媒介,得到常壓條件下無法得到的特殊的物理化學環境,使反應前驅體得到充分的溶解,并達到一定的過飽和度,從而形成生長基元,進而成核、結晶制得復合粉體。水熱法的優越性有:合成的核?殼型納米粉體純度高,粒度分布窄,晶粒組分和形態可控,晶粒發育完整,團聚程度輕,制得的產品殼層致密均勻,制備的納米粉體不需要后期的晶化熱處理。

 

4、溶膠?凝膠法首先將改性劑前驅體溶于水(或有機溶劑)形成均勻溶液,溶質與溶劑經水解或醇解反應得到改性劑(或其前驅體)溶膠;再將經過預處理的被包覆顆粒與溶膠均勻混合,使顆粒均勻分散于溶膠中,溶膠經處理轉變為凝膠,在高溫下煅燒得到外表面包覆有改性劑的粉體,從而實現粉體的表面改性。溶膠?凝膠法制備的包覆復合粒子具有純度高、化學均勻性好、顆粒細小、粒徑分布窄等優點,且該技術操作容易、設備簡單,能在較低溫度下制備各種功能材料,在磁性復合材料、發光復合材料、催化復合材料和傳感器制備等方面獲得了較好的應用。

 

 

一種石墨烯包覆稀土摻雜納米氧化物

 

 

5、沉淀法。向含有粉體顆粒的溶液中加入沉淀劑,或者加入可以引發反應體系中沉淀劑生成的物質,使改性離子發生沉淀反應,在顆粒表面析出,從而對顆粒進行包覆。沉淀反應包覆往往是在納米粒子表面包覆無機氧化物,可以便捷地控制體系中的金屬離子濃度以及沉淀劑的釋放速度和劑量,特別適合對微納米粉體進行無機改性劑包覆。

 

 

一種粉煤灰空心微珠表面包覆納米氫氧化鎂復合粉體材料

 

6、非均相凝聚法(又稱“雜絮凝法”)。根據表面帶有相反電荷的微粒能相互吸引而凝聚的原理提出的一種方法。如果一種微粒的直徑遠小于另一種電荷微粒的直徑,那么在凝聚過程中,小微粒就會吸附在大微粒的外表面形成包覆層。其關鍵在于對微粒表面進行修飾,或直接調節溶液的pH值,從而改變微粒的表面電荷。

 

7、微乳液包覆法。首先通過W/O(油包水)型微乳液提供的微小水核來制備需要包覆的超細粉體,然后通過微乳聚合對粉體進行包覆改性。與其他納米材料的制備方法相比,微乳液法制備納米材料具有以下特點:(1)粒徑分布窄且較易控制;(2)由于粒子表面包覆一層(或幾層)表面活性劑分子,不易聚結,得到的有機溶膠穩定性好,可較長時間放置;(3)在常壓下進行反應,反應溫度較溫和,裝置簡單,易于實現。

 

8、非均勻形核法。根據LAMER結晶過程理論,利用改性劑微粒在被包覆顆粒基體上的非均勻形核與生長來形成包覆層。該方法可以精確控制包覆層的厚度及化學組分。非均勻形核包覆中,改性劑的質量濃度介于非均勻形核臨界濃度與臨界飽和濃度之間,所以非均勻形核法包覆是一種發生在非均勻形核臨界濃度與均相成核臨界濃度之間的沉淀包覆。

 

9、化學鍍法。指不外加電流而用化學法進行金屬沉淀的過程,有置換法、接觸鍍法和還原法三種。化學鍍法主要用于陶瓷粉體表面包覆金屬或復合涂層,實現陶瓷與金屬的均勻混合,從而制備金屬陶瓷復合材料。其實質是鍍液中的金屬離子在催化作用下被還原劑還原成金屬粒子沉積在粉體表面,是一種自動催化氧化?還原反應過程,因此可以獲得一定厚度的金屬鍍層,且鍍層厚度均勻、孔隙率低。

 

10、超臨界流體法。是尚在研究的一種新技術。在超臨界情況下,降低壓力可以導致過飽和的產生,而且可達到高過飽和速率,使固體溶質從超臨界溶液中結晶出來。由于結晶過程是在準均勻介質中進行的,能夠得到更準確的控制。因此,從超臨界溶液中進行固體沉積是一種很有前途的新技術,能夠產生平均粒徑很小的細微粒子,而且還可控制其粒度分布。

 

11、化學氣相沉積法。在相當高的溫度下,混合氣體與基體的表面相互作用,使混合氣體中的某些成分分解,并在基體上形成一種金屬或化合物的包覆層。它一般包括3個步驟:產生揮發性物質;將揮發性物質輸送到沉淀區;與基體發生化學反應生成固態產物。

 

12、高能量法。利用紅外線、紫外線、γ射線、電暈放電、等離子體等對納米顆粒進行包覆的方法,統稱高能量法。高能量法常常是利用一些具有活性官能團的物質在高能粒子作用下實現在納米顆粒的表面包覆。

 

13、噴霧熱分解法其工藝原理是將含有所需正離子的幾種鹽類的混合溶液噴成霧狀,送入加熱至設定溫度的反應室內,通過反應,生成微細的復合粉末顆粒。在該工藝中,從原料到產品粉末,包括配溶液、噴霧、反應和收集等4個基本環節。

 

 
 
 

二氧化硅包覆二硼化鋯-碳化硅的復合粉體

 

14、微膠囊化法。在粉體表面覆蓋均質且有一定厚度薄膜的一種表面改性方法。通常制備的微膠囊粒子大小在2~1000μm,壁材厚度為0.2~10μm。微膠囊可改變囊芯物質的外觀形態而不改變它的性質,還可控制芯物質的放出條件;對在相間起反應的物質可起到隔離作用,以備長期保存;對有毒物質可以起到隱蔽作用。微膠囊技術在制藥、食品、涂料、粘接劑、印刷、催化劑等行業都已得到了廣泛的應用。

 
結語
 
表面包覆技術的選用,應根據核心粉體和包膜材料的特性以及改性后復合粉體的應用場合來綜合考慮。隨著科學技術的發展,超細粉體包覆技術將進一步完善,有望制備出多功能、多組分、穩定性更強的超細復合粒子,這將為復合粒子開辟更廣闊的應用前景。目前關于超細粉表面包覆機制及通過多種包覆方法結合制備性能更優異的超細粉體將是未來該領域的研究發展方向。
 
 
 
 
 
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