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影响粉体物料表面改性效果的四大主要因素

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-09  来源:中国粉体技术网  浏览次数:33
核心提示:影响粉体物料表面改性效果的四大主要因素
影响粉体物料表面改性效果的四大主要因素

  1、粉体的表面性质

      粉体的比表面积、粒度大小和粒度分布、比表面能、表面官能团、表面酸碱性、表面电性、润湿性、溶解或水溶特性、水分含量、团聚性等均对有机化学包覆改性效果有影响,是选择表面改性剂配方、工艺方法和设备的重要考虑因素。

      在忽略粉体孔隙率的情况下,粉体的比表面积与粒度大小呈反比关系。也即,粒度越细,粉体的比表面积越大。在要求一定单分子层包覆率和使用同一种表面改性剂的情况下,粉体的粒度越细,比表面积越大,表面改性剂的用量越大。

      比表面能大的粉体物料,一般倾向于团聚,这种团聚体如果不能在表面改性过程中解聚,就会影响表面改性的效果及改性产品的应用性能。因此,团聚倾向很强的粉体最好在与表面改性剂作用前进行解团聚。

      粉体的表面物理化学性质,如表面电性、润湿性、官能团或基团、溶解或水解特性等直接影响其与表面改性剂分子的作用,从而影响其表面改性的效果。因此,表面物理化学性质也是选择表面改性工艺方法的重要考虑因素之一。

      粉体表面官能团的类型影响有机表面改性剂与无机颗粒表面的作用或作用的强弱,能与有机表面改性剂分子中极性基团产生化学键合或化学吸附的无机颗粒表面,改性剂在颗粒表面的包覆较牢固;仅靠物理吸附与无机颗粒表面作用的表面改性剂,与表面的作用力较弱,在颗粒表面包覆不牢固,在一定条件下(如剪切、搅拌、洗涤)可能吸附。所以,选择表面改性剂时要考虑无机颗粒表面官能团的性质。例如,对含硅酸较多的石英粉、黏土、硅灰石、水铝石等酸性矿物,选用硅烷偶联剂效果较好,对不含游离酸的碳酸钙等碱性矿物填料,用硅烷偶联剂效果欠佳。这是因为硅烷偶联剂分子与石英表面官能团的作用较强,而与碳酸钙表面官能团的作用较弱。颗粒表面的酸碱性也对颗粒表面与表面改性剂分子的作用有影响。在用表面活性剂对无机粉体进行表面化学包覆改性时,粉体颗粒表面与各种有机官能团作用的强弱顺序大致是:当表面呈酸性时(如二氧化硅),胺>羧酸>醇>苯酚;当表面呈中性时(氧化铝、氧化铁),羧酸>胺>苯酚>醇;当表面呈碱性时(氧化镁、氧化钙),羧酸>苯酚>胺>醇。

      无机颗粒表面的含水量也对颗粒与某些表面改性剂的作用产生影响,例如单烷氧基型钛酸酯的耐水性较差,不适用于含湿量较高的无机粉体;而单烷氧基焦磷酸酯型和螯合型钛酸酯偶联剂则能用于含湿量或吸附水较高的无机粉体,如陶土、滑石粉等的表面改性。

  2、表面改性剂的配方

      粉体的表面化学包覆改性在很大程度上是通过表面改性剂在粉体颗粒表面的作用来实现的,因此,表面改性剂的配方是表面改性技术的核心,对粉体表面的改性效果或改性产品的应用性能有重要影响。

  2.1表面改性剂的品种

      表面改性剂的品种是实现粉体表面改性预期目的的关键,具有很强的针对性。从表面改性剂分子与无机粉体表面作用的角度来考虑,应尽可能选择与颗粒表面进行化学反应或化学吸附的表面改性剂,因为物理吸附在其后应用过程中强烈搅拌或挤压作用下容易脱附。但是,在实际选用时还必须考虑产品用途或基料种类、产品质量标准或要求、改性工艺及成本、环保等。

      产品的用途或基料种类是选择表面改性剂品种最重要的考虑因素。不同的应用领域基料对粉体的性能或技术要求不同,如表面润湿性、分散剂、酸碱性、电性、耐候性、光泽、抗菌剂等,这就是要根据用途来选择表面改性剂品种的原因之一。例如,用于各种塑料、橡胶、胶黏剂、油性或溶剂型涂料的无机粉体要求与有机高聚物基料有良好的亲和性或相容性,这就要求选择能使无机粉体表面亲有机的表面改性剂;在选择包覆用于电阻率的影响;对于无机阻燃填料既要考虑有机树脂的相容性,还要考虑阻燃剂和填充材料的力学性能;对于陶瓷胚料中使用的无机颜料不仅要求其在干态下有良好的分散性,而且要求其与无机胚料的亲和性好,能够在胚料中均匀分散;对于水性漆或涂料中使用的无机粉体的表面改性剂则要求改性后粉体在水相中的分散性、沉降稳定性和配伍性好。同时,不同应用体系的组分不同,选择表面改性剂时还须考虑与应用体系组分的相容性和配伍性,避免因表面改性剂而导致体系中其他组分功能的失效。此外,选择表面改性剂品种时还要考虑应用时的工艺因素,如温度、压力以及环境因素等。所有的有机表面改性剂都会在一定的温度下分解,如硅烷偶联剂的沸点依品种不同在100-310℃之间变化。因此 ,所选择的表面改性剂的分解温度或沸点最好高于应用时的加工温度。

      改性工艺也是选择表面改性剂品种的重要考虑因素之一。目前的表面改性工艺主要采用干法和湿法两种。对于干法工艺不必考虑其水溶性的问题,但对于湿法工艺要考虑表面改性剂的水溶性,因为只有能溶于水才能在湿环境下与粉体颗粒充分接触和反应。例如碳酸钙粉体干法表面改性时可以用硬脂酸,但在湿法表面改性时,如直接添加硬脂酸,不仅难以达到预期的表面改性效果,而且利用率低,过滤后表面改性剂流失严重,滤液中有机物排放超标。其他类型的有机表面改性剂也有类似的情况。因此,对于不能直接水溶而又必须在湿法环境下使用的有机表面改性剂,必须预先将其皂化、铵化或乳化,使其能在水溶液中溶解和分散。
最后,选择表面改性剂还要考虑价格和环境因素,在满足应用性能要求或应用性能优化的前提下,尽量选用价格较便宜的表面改性剂 ,以降低表面改性的成本。同时要注意选择不对环境造成污染的表面改性剂。

  2.2表面改性剂的用量

      理论上在颗粒表面达到单分子层吸附所需的用量为最佳用量,该用量与粉体原料的比表面积和表面改性剂分子的截面积有关,但这一用量不一定是100%覆盖时的表面改性剂用量,实际最佳用量要通过改性试验和应用性能试验来确定,这是因为表面改性剂的用量不仅与表面改性时表面改性剂的分散和包覆的均匀性有关,还与应用体系对粉体原料的表面性质和技术指标的具体要求有关。

      对于湿法改性,表面改性剂在粉体表面的实际包覆量不一定等于表面改性剂的用量,因为总是用一部分表面改性剂未能与粉体颗粒作用,在过滤时流失了。因此,实际用量要大于达到单分子层吸附所需的用量。

      进行化学包覆改性时,表面改性剂的用量与包覆率存在一定的对应关系,一般来说,在开始时,随着用量的增加,粉体表面的包覆率提高很快,但随着增势趋缓,至一定用量后,表面包覆率不再增加。因此,用量过多是不必要的,从经济角度来说用量过多既无必要,也增加了生产成本。

  2.3表面改性剂的使用方法

      表面改性剂的使用方法是表面改性剂配方的重要组成部分之一,对粉体的表面改性效果有严重影响,正确的使用方法可以提高表面改性剂的分散程度和分体的作用效果;反之,使用方法不当就可能达不到预期的改性目的。

      表面改性剂的用法包括配置。分散和添加方法以及使用两种以上表面改性剂时加药的顺序。表面改性剂的配置方法要依表面改性剂的品种、改性工艺和改性设备而定。

      不同的表面改性剂需要不同的配制方法,例如,对于硅烷偶联剂,与粉体表面起键合作用的是硅醇,因此,要达到好的改性效果最好在添加前进行水解。对于使用前需要稀释和溶解的其他有机表面改性剂,如碳酸酯、铝酸酯、硬脂酸等要采用相应的有机溶剂,如无水乙醇、异丙醇、甘油、甲苯、乙醚、丙酮等进行稀释和溶解。对于在湿法改性工艺中使用的硬脂酸、钛酸酯、铝酸酯等不能直接溶于水的有机表面改性剂,要预先将其皂化、铵化或乳化为能溶于水的产物。

      添加表面改性剂的最好方法是使表面改性剂与粉体均匀和充分接触,以达到表面改性剂的高度分散和表面改性剂在粒子表面的均匀包覆。因此,最好采用与粉体给料速度联动的连续喷雾或滴加方式,当然只有采用连续式的粉体表面改性机才能方便做到连续添加表面改性剂。

      由于无机粉体表面性质的不均一性,有时混合使用两种或两种以上表面改性剂较单一表面改性剂的效果要好。例如,联合使用钛酸酯偶联剂和硬脂酸对碳酸钙进行表面改性,不仅可以提高表面处理效果,而且还可以减少钛酸酯偶联剂的用量,降低生产成本。但是,在选用两种以上的表面改性剂对粉体进行处理时,加药顺序对最终表面改性效果有一定影响。在确定表面改性剂的添加顺序时,首先要分析两种表面改性剂各自所起的作用和与粉体表面的作用方式。一般来说先加起主要作用和以化学吸附为主的表面改性剂,后加其次要作用和以物理吸附为主的表面改性剂,如果两种表面改性剂的作用相同或相近,也可以同时添加。

  3、表面改性工艺

      表面改性剂配方确定以后,表面改性工艺是决定表面有机化学包覆改性效果最重要的影响因素之一。改性工艺要满足表面改性剂的应用要求或应用条件,对表面改性剂的分散性好,能够实现表面改性剂在粉体表面均匀且牢固的包覆;同时要求工艺简单、参数可控性好、产品质量稳定,而且能耗低、污染小,因此,选择表面改性剂时至少要考虑以下因素:

      1)表面改性剂的特性,如水溶性、水解性、沸点或分解温度等;

      2)前段粉碎或粉体制备作业是湿法还是干法,如果是湿法作业可考虑采用湿法改性工艺;

      3)改性工艺条件,如表面改性温度和改性时间等。

      为了达到良好的表面化学包覆效果,一定的表面改性温度和时间是必须的。选择改性温度首先考虑表面改性剂对温度的敏感性,以防止表面改性剂因温度过高而分散、挥发。但温度过低改性剂与粉体颗粒作用时间较长、效率较低,对于通过溶剂溶解的表面改性剂来说,温度过低,溶剂挥发不完全,将影响有机化学包覆效果。改性时间对粉体表面改性效果的影响对不同的改性工艺是不同的。从有机表面改性剂分子与无机粉体颗粒表面活性集团的吸附或化学反应角度来讲,在合适的温度下一般需要的时间是很短的。但是对于间歇式表面改性工艺,时间太短,只有部分颗粒表面吸附了表面改性剂,另有部分或大部分颗粒没有机会与表面改性剂作用,也即改性剂与粉体颗粒作用不够均匀,因此需要一定或较长的时间使大部分颗粒覆盖上表面改性剂;间歇式干法表面改性,如用高速加热混合机进行干法表面改性时,一般随着时间的延长,粉体表面包覆率增加,到一定时间达到最大值,此后,继续延长反应时间,包覆率不再增加;因此,间歇式表面改性工艺所述的改性时间实质是使无机粉体均匀作用或包覆有机表面改性剂所需的时间。对于连续式反应时间,包覆率不再增加;因此,间歇式表面改性工艺所述的改性时间实质是使无机粉体均匀作用或包覆有机表面改性剂所需要的时间。对于连续式表面改性工艺设备,因表面改性剂是按粉体的质量的一定配比、与粉体同步连续分散加入,容易实现有机表面改性剂与粉体颗粒的均匀作用,因此,与间歇式工艺相比,改性时间可以显著缩短,这已为生产实践所证明。

  4、表面改性设备

      在表面改性剂配方和表面改性工艺确定的情况下,表面改性设备就成为影响粉体表面化学包覆改性的关键因素。
表面改性设备性能的优劣,不在其转速的高低或结构复杂与否,关键在于以下基本工艺特性:

      1)对粉体及表面改性剂的分散性;

      2)使粉体与表面改性剂的接触或作用的机会的均等性;

      3)改性温度和停留时间的可调性;

      4)单位产品能耗和磨耗;

      5)环保性能;

      6)设备运行的稳定性。

      高性能的表面改性机应能够使粉体及表面改性剂的分散性好、粉体与表面改性剂的接触或作用机会均等,以达到均匀的单分子层吸附、减少改性剂用量;同时,能方便调节改性温度和反应或停留时间,以达到牢固包覆和使溶剂或稀释剂完全蒸发;此外,单位产品能耗和磨耗应较低,环保性能好,设备操作简便,运行平稳。

      SLG连续式粉体表面改性机是由江阴启泰非金属工程有限公司联合中国矿业大学自主研发的一款用于各种无机粉体表面处 理的深加工设备,其主要技术指标达到国际先进水平,用于d97≤10μm超细轻(重)质碳酸钙、煅烧高岭土的表面改性,生产能力达到6.0t/h以上,活化指数≥98%,单位产品能耗≤35kwh/t。自1998年研发成功以来,已有500多台(套)改性机用于各种粉体行业,并出口到俄罗斯、乌兹别克斯坦、马来西亚、尼日利亚、印度尼西亚、阿联酋、约旦、缅甸等十几个国家。

      来源:中国粉体技术网  
 
 
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