粉末颗粒的分散与表面改性-ppt

陶瓷行业应用
药物制备
粉体工程技术在制药行业中广泛应用于药物制备，如中药和西药的生产。粉体工程技术通过控制药物的粒度和释放性能，可以提高药物的生物利用度和治疗效果。
药物剂型设计
粉体工程技术也用于药物剂型的设计，如颗粒剂、片剂、胶囊剂等。通过粉体工程技术的处理，可以调节药物的释放速度和作用方式，满足不同治疗需求。
离心筛分
利用液体将物料湿润，然后通过筛孔分离不同粒度的物料的过程。
湿法筛分
筛分技术
干法混合
湿法混合
气流混合
振动混合
混合技术
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利用机械力将不同粒度的物料混合均匀的过程，如搅拌、搅拌磨等。
利用液体将不同粒度的物料混合均匀的过程，如捏和、乳化等。
利用高速气流将不同粒度的物料混合均匀的过程，如流化床、喷射混合等。
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粉体表面改性技术
粉体可作为填料添加到高分子材料中，提高材料的力学性能、阻隔性能和加工性能等。
高分子复合材料
利用陶瓷粉体制备出高性能的陶瓷复合材料，如陶瓷基复合材料、纳米陶瓷复合材料等。
陶瓷复合材料
金属粉体与其他金属或非金属材料复合，制备出具有优异性能的金属复合材料。
金属复合材料
粉体在复合材料中的应用
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粉体工程安全防护
粉体工程环保措施
总结词：了解粉体工程对环境的影响，掌握环保措施，保护环境。
了解粉体工程中产生的污染物及其对环境的影响。
学习如何合理选用环保设备，降低污染物排放。
详细描述
掌握环保设备的运行原理和使用方法。
定期进行环保监测，确保排放物符合国家标准。

粉体的表面现象
最大特点：具有大的比表面积和表面 能。
1、粉体颗粒表面表面的不饱和性 2、粉体颗粒表面表面的非均质性
粉体颗粒为何需要分散？
粉体颗粒由于粒径小, 表面原子比例大, 比表面大, 表面能大, 处于能量不稳定 状态 , 因此很容易团聚导致颗粒增大.
引起纳米粉体产生团聚的原因
1、材料在纳米化过程中,在新生的纳米粒子的表面积累了大量的 正电荷或负电荷,这些带电粒子极不稳定,为了趋向稳定,它们互相 吸引,使颗粒团ຫໍສະໝຸດ ,此过程的主要作用力是静电库仑力。
分散
在空气中的分散方法
机械分散 干燥分散 颗粒表面改性分散 静电分散 复合分散
颗粒在液体中的分散
1、颗粒的浸润 2、颗粒团聚体在机械力作用下的解体和分
散 3、颗粒或较小的团聚体稳定，阻止进一步
发生团聚
固体在固液体系中的分散调控
介质调控 分散剂调控 机械调控 超声调控
无机电解质 高分子分散剂 表面 活性剂
2、材料在纳米化过程中,吸收了大量机械能或热能,从而使新生的 纳米颗粒表面具有相当高的表面能,粒子为了降低表面能,往往通 过相互聚集而达到稳定状态,因而引起粒子团聚。
3、当材料纳米化至一定粒径以下时,颗粒之间的距离极短,颗粒之 间的范德华力远远大于颗粒自身的重力,颗粒往往互相吸引团聚。
4、由于纳米粒子表面的氢键,吸附湿桥及其他的化学键作用,也易 导致粒子之间的互相黏附聚集。
END 谢谢，请多指教

颗粒大小——粉体系统各种性质影响很大 颗粒集合---吸引力，输送 颗粒制备---粉碎
16.02.2019
颗粒大小决定（影响）： e.g. 水泥的凝结时间、强度； 结构陶瓷的强度、韧度； 功能材料的功能； 催化剂的活性； 食品的味道； 药物的药力； 颜料的着色力；
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e.g.陶瓷材料性能由： a.材料组分； b.显微结构--粉体特性（颗粒度、形状、团聚 状态、相组分)； 亚微米―纳米级超细粉，加速烧结过程中动力 学过程，降低烧结时间，改善烧结体性能； e.g.水泥工艺是两磨一烧,水泥性能由 a.材料组成（煅烧）； b.颗粒度（颗粒大小及分布）； 水泥（溶胶－凝胶法，DSP）
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粉体技术所涉及到的行业和产品应用
食品 颜料 能源 粮食加工、面粉蛋白分离、调味料、保健食品、食品 添加剂、 偶氮颜料、酞青系列颜料、氧化铁系列颜料、氧化铬 系列 煤粉燃烧、固体火箭推进剂、水煤浆、
电子
电子浆料、电子塑封料、集成电路基片、电子涂料、 荧光粉、铁氧体
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粉体技术所涉及到的行业和产品应用
建材 精细 陶 瓷 环保 机械 水泥、建筑陶瓷生产、复合材料、木粉 原料细化处理、梯度材料、金属与陶瓷复合材料、颗 粒表面改性 脱硫用超细碳酸钙、固体废弃物的再生利用、各类粉 状污水处理剂 粒度砂、微粉磨料、超硬材料、固体润滑剂、铸造型 砂
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DSP水泥;densified systems containing homogeneous 16.02.2019 arranged ultrafine particle;DSP cement
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非金属矿行业对国民经济和社会就业的贡献和影响不 断提高，2000年非金属矿工业总产值已达548.82亿元， 超过金属矿工业总产值（435.34亿元）。非金属矿产 品与金银铜铁一样，是社会发展不可缺少的重要物质 资料。在出口方面，非金属矿产品是我国改革开放以 来出口创汇增长最快的产品；其巨大贡献是不争的事 实。非金属矿产品在"六五”期间出口12.5亿美元,"七 五"期间达到25.7亿美元，"八五"期间超过53.7亿美元， "九五"期间超过100亿美元。2000年出口创汇24.29亿 美元，2001年达到28亿美元，2002年继续保持增长 势头。件

精品课件
图 感应加热表面淬火示意
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二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
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三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
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五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工 件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
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一、 金属表面形变强化
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一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
在组织结构上，亚晶粒极大地细 化，位错密度增加，晶格畸变度 增大
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。

ΔG= G2- G1=γ·（S2- S1） 因为：S2<< S1, ΔG<0，
颗粒间处于非 热力学稳定状
所以：团聚过程自发进行。
态，极易发生 团聚。
微纳米粉体表面改性剖析
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2）纳米粉体团聚的热力学
➢ 固体的超细化过程实质是小粒子的内部结合力不断被破坏，系 统总能量不断增加的过程。
➢ 热力学角度看，纳米粉体粒子间的作用为范德华力和库仑力， 因而产生纳米粒子的团聚。
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5）团聚机理方式
⑤表面原子扩散理论 刚反应后的颗粒表面原子具有很大的活性，其
表面键断裂引起的原子能量远高于内部原子的能量 （液相合成的纳米粉体）。
颗粒表面原子易于扩散到相邻颗粒表面并与其 原子键合，形成稳固的化学键，从而形成永久性的 硬团聚。
微纳米粉体表面改性剖析
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10.3.2 纳米颗粒的分散
如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体， 总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
立方体数
1 1015 1018 1021
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
总表面积
微纳米粉体表面改性剖析
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2）高分子基体中无机粉体改性目的
(1)有机/无机复合材料(塑料、橡胶等） 改善无机填料（包括增量无机填料和功能性无机填料）与
有机（高聚物）基料的相容性，提高其分散性及复合材料的综 合性能
(2)油漆、涂料 提高涂料、油漆中颜料的分散性并改善涂料的光泽、着色
力、遮盖力和耐候性、耐热性、保光性、保色性等

－－影响因素
• (2)表面改性剂的配方
－－品种：选择能够化学吸附的改性剂；根据用途来选择 （如塑料、橡胶、油性涂料选亲油型；电缆绝缘考虑介 电性能及点阻率；水性涂料选亲水性）；避免改性剂造 成体系中其他组分功能的失效；改性剂分解温度高于加 工温度；考虑改性剂水溶性决定改性工艺；价格和环境 因素也要考虑。
变为新生表面的表面能。 粉体的表面能与以下两点关系很大： （1）表面改性剂和粉体表面的作用 （2）粉体的应用性能； 通常：表面能越高，吸附性越强，越容易团聚，越
不易在高聚物中均匀分散。对无机填料进行有机 表面改性实际上就是降低其表面能，使其不产生 团聚。
四 粉体表面的主要物理化学性质
3、表面润湿性； 接触角。杨氏方程。
• 与粉体应用及表面改性有关的粉体表面及界面特性主 要有：比表面积、表面能、表面化学组成、晶体结构、 官能团、表面润湿性、表面电性、孔隙结构和孔径分 布等。
• 1、比表面积； • 单位质量的表面积，单位为m2/g或cm2/g。是确定表
面改性剂用量的主要依据之一。比表面积越大，达到 同样包覆率所需的表面改性剂的用量就越多。 • 设Sw代表粉体物料的比表面积，d代表颗粒粉体物料 的平均直径，则有以下关系存在： Sw=K/ρd
举例：纳米TiO2/硅藻土
制备工艺
提纯
硅藻土
制浆
水解
沉淀反应
洗涤过滤
干燥
煅烧
配制
钛的无机化合物
样品
实验室改性装置
SEM表面形貌
TEM剖面分析
A
B
0.9μm
250 nm
40 nm
0.6μm
0.9μm
2.粉体表面改性方法
• 2.4机械力化学
• 利用超细粉碎及其它强烈机械作用对粉体表面 进行激活,在一定程度上改变颗粒表面的晶体结 构、化学吸附和反应活性(增加表面活性点或活 性基团)等

（2）纳米粉体表面改性的必要性 ）
纳米粉体一般是指粒径在 以下的粒子或颗粒。 纳米粉体一般是指粒径在100nm以下的粒子或颗粒。由于 一般是指粒径在 以下的粒子或颗粒 纳米粉体粒度细、比表面积大、表面能高、表面原子数增多、 纳米粉体粒度细、比表面积大、表面能高、表面原子数增多、 原子配位不足及高的表面能， 原子配位不足及高的表面能，使得这些表面原子具有很高的 活性，极不稳定，很容易“团聚” 失活” 活性，极不稳定，很容易“团聚”及“失活”。 对于软团聚的纳米粒子，通过表面的物理和化学改性，来 对于软团聚的纳米粒子，通过表面的物理和化学改性， 提高纳米粉体的分散性 分散性； 提高纳米粉体的分散性；改善或提高无机纳米粉体与复合材 料中基料或其他物质之间的相容性 相容性； 料中基料或其他物质之间的相容性； 纳米粉体在催化、环保、微电子、 纳米粉体在催化、环保、微电子、生物医药及化工等领域 的应用需要特定的表面物理化学特性及功能。因此， 的应用需要特定的表面物理化学特性及功能。因此，有选择 性地赋予无机纳米粉体材料新的物理化学性能及新的功能 新的物理化学性能及新的功能也 性地赋予无机纳米粉体材料新的物理化学性能及新的功能也 要通过表面改性或表面处理来实现。 要通过表面改性或表面处理来实现。
1.表面活性剂改性 表面活性剂改性
无机纳米粉体颗粒经表面活性剂改性或处理后可阻止或 减轻硬团聚体的形成 提高其分散性。 的形成， 减轻硬团聚体的形成，提高其分散性。表面活性剂还能改善 或提高纳米粒子与相应体系中基料或其他物质的相容性 相容性。 或提高纳米粒子与相应体系中基料或其他物质的相容性。 纳米粉体的表面活性改性法既可湿法进行也可干法进 纳米粉体的表面活性改性法既可湿法进行也可干法进 行或干-湿结合 湿结合。 行或干 湿结合。 对于湿法化学合成，如沉淀法、水热法、溶胶 凝胶法等 对于湿法化学合成，如沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等 湿法化学合成 工艺制备纳米粉体， 工艺制备纳米粉体，在湿法生成纳米粉体过程中或生成后立 即加入表面活性剂，不仅可以防止硬团聚体的形成， 即加入表面活性剂，不仅可以防止硬团聚体的形成，还有助 于遏止粒子“长大”。纳米粉体的表面改性最好在湿法制备 于遏止粒子“长大” 过程中就开始进行。 过程中就开始进行。 进行干法改性。 表面活性剂也可以用于对纳米无机粉体 进行干法改性。 干法改性的关键是改性设备能够很好地将纳米粉体和表面活 干法改性的关键是改性设备能够很好地将纳米粉体和表面活 性剂分散， 性剂分散，使表面活性剂能够均匀地吸附包覆于纳米颗粒表 面。 ：

粉体表面改性方法




涂敷改性（冷法、热法） 石英砂涂敷树脂，提高铸造时粘结性 表面化学改性（主要方法） 颗粒表面性质、改性剂种类、用量用法 及工艺设备与操作条件 沉淀反应改性（钛白、云母） 机械化学改性 高能改性、酸碱处理等
粉体表面改性设备



高速混合（捏和）机 HYB高速气流冲击式粉体表面处理机 （东京理科大学、奈良机械制作所） 球磨机、砂磨机 液相表面处理 喷雾表面处理
超分散剂的吸附形态
超分散剂在强极性 表面的单点化学吸附
超分散剂在弱极性 表面的多点氢键吸附
超分散剂通过表面增 效剂在非极性表面吸附
超分散剂作用机理示意图
锚固基团
颗粒
颗粒
溶剂化链
超分散剂的吸附性能
Rehacek方法
Xap
MaCa
Xap Mo(Co Ce) X MoCo ( Mo X Xsolv)Ce Ma X Xsolv Ca X / Ma Xap Ma (Ca Ce) Ma / ( s )

CH－5使用方法
将研磨基料的树脂浓度降低至30－40％ 在基料中尽量少使用胶质油或胶凝剂 在用基料调制油墨时多补充上述物质 由于CH－5降低基料粘度，故可提高颜 料含量，减少溶剂用量，改善油墨干燥 性能

热固型/单张纸型研磨基料配方
RUBINE / Ca 4B TONER 36 PHTHALOCYANINE BLUE DIARYLIDE YELLOW CARBON BLACK GRINDING VEHICLE 48 ALKYD RESIN 8 CH-5 HYPERDISPERSANT CH-11B HYPERDISPERSANT CH-22 HYPERDISPERSANT ANTIOXIDANT 2 ALIPHATIC DISTILLATE 6 50 36 50 28 26 8 4 52 9 33 9 3.75 1.25 3 65 5 40 49 5 3 1 2 40 53 5 50 33 5 4

《粉体材料表面改性》课程教学大纲课程代码：050542002课程英文名称：SurfaceModificationofpowder（A2）课程总学时：24讲课：24实验：0上机：0适用专业：粉体科学与工程专业大纲编写（修订）时间：2017.3一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标粉体表面改性是粉体科学与工程专业方向课，为选修课。

本门课程讲授粉体表面改性的原理、方法、工艺、设备及表面改性剂的性能及应用、各行业典型粉体及纳米粉体饿表面改性方法、实践及改性产品的检测及表征方法。

通过本课程的学习，不仅让学生掌握粉体表面改性的相关理论，同时培养学生发现、分析与解决问题的能力和精密进行科学研究的技能。

为学生将来从事粉末材料、粉体工程领域的生产、科研打下坚实的理论和实践基础。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握粉体材料表面改性工艺的方法和原理；2．使学生掌握目前工业表面改性典型设备；3．使学生了解表面改性剂的种类、性质、使用条件；4．掌握粉体改性前后的物性变化及相关的检测方法；5.进一步结合创新创业培养目标，加强学生创新能力的培养，使学生具备独立进行粉体表面原位修饰工艺设计与设备选型的能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握粉体表面改性一般知识，包括粉体表面改性的原理、方法、工艺、设备及表面改性剂的性能及应用、改性产品的检测及表征方法等。

2.基本理论和方法：掌握粉体表面的物性，粉体表面改性的基本原理、掌握粉体表面改性工艺设计和设备；了解常见工业粉体的表面改性方法及应用。

3.基本技能:掌握粉体改性工艺设计计算、独立进行设备选型的技能等。

了解特种粉体的生产工艺、制备技术及行业发展趋势。

具备制备、加工特种粉体的必要的基础知识和基本技能。

（三）实施说明本课程安排在第七学期学习，共24学时，其中理论讲课24学时。

根据教学的需要，有针对性地对教学内容适当增减，各部分学时数可适当调整2学时。

❖ 细度 指的是320目（45µm的孔径）的筛子筛分后的剩余
部分，用百分比表示；
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与国外的差距
❖ 目前我国TiO2主要靠进口，国产TiO2 主要在小规模、 低档次的型材上使用。国内与国外TiO2的主要差距 表现在 (1)表面包膜质量，(2)稳定性，(3)白度， (4) 粒径方面。另外国产TiO2厂家，由于产地不同，包 膜技术不同，耐候性也有较大差异。 (5)在国 外 TiO2有通用型，超耐久型、抗粉化超耐久型、高光 半耐久多用型、高光耐久多用型，塑料级普通型、 塑料级 耐久型等多种牌号，因此对TiO2 型号的选择 十分重要。 (6)对搪瓷级钛白和冶金、电容器，电焊 条工业用TiO2以及造纸用钛白粉，不能用于塑料异 型材
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国标
❖ 白度
❖ 消色力 钛白粉与另一种颜料混合后能够得到混合物显示它
本身颜料的能力。一般是同标样比较或用雷诺数来表示：
❖ 105℃挥发物 指的是在105℃下，产品中可以挥发掉的
成分，主要是水分；
❖ 吸油量 100克钛白粉在达到完全润湿时需要用油的
最低量。溶剂涂料和粉末涂料、橡胶、油墨等要求吸油量低， 高PVC的涂料比较喜欢高吸油量的产品
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表面处理的概述
❖ 所谓表面处理是指通过不同的表面处理剂和处 理工艺， 在二氧化钛颜料粒子表面包覆一层或多层 无机物或有机 物的包膜层，以改善二氧化钛固有的 缺陷或改变其颗粒 的表面性质，提高它的耐候性、分 散性等应用性能。
❖ 二氧化钛的表面处理主要是通过 等电点理论和稳定理 论 ，采用沉淀、吸附、离子交换、 共价键和高分子接 枝反应对二氧化钛的表面进行改 性 ，改性结果只涉及 到表面电荷的变化、表面积变 化，以弥补二氧化钛的光 化学活性缺陷，提高二氧化 钛的耐候性、耐久性，提高 它在各种介质中的湿润性 和分散性。

粉体的团聚与分散机理
粉体的团聚与分散机理涉及到粉体颗粒之间的相互作用和动力学
过程。

以下是一些常见的团聚与分散机理的解释：
1. 团聚机理：
- 范德华力：粉体颗粒之间存在的分子间作用力，如范德华力，会导致颗粒相互吸引而团聚。

- 静电作用：颗粒表面可能带电荷，导致它们通过静电相互作用而聚集在一起。

- 液桥力：当粉体颗粒处于潮湿环境中时，颗粒间的液体桥梁可以产生吸引力，促使团聚。

- 颗粒间附着力：如果颗粒表面存在粘性物质或吸附层，它们可能通过附着力相互结合。

2. 分散机理：
- 机械力：通过搅拌、振动、研磨等机械手段，可以打破颗粒间的团聚，使粉体分散。

- 表面改性：通过对颗粒表面进行处理，如包覆一层稳定剂或分散剂，可以减少颗粒间的相互作用，提高分散性。

- 静电斥力：通过添加电解质或改变颗粒的表面电荷，可产生静电斥力，阻止颗粒团聚。

- 溶剂作用：选择适当的溶剂体系可以改善颗粒的润湿性，减少团聚倾向。