[科普中國]-表面改性

表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，賦予其表面新的性能，如親水性、生物相容性、抗靜電性能、染色性能等。表面改性的方法有很多報(bào)道，大體上可以歸結(jié)為:表面化學(xué)反應(yīng)法、表面接枝法、表面復(fù)合化法等。

表面改性技術(shù)(surface modified technique) 則是采用化學(xué)的、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機(jī)器零件或材料性能的一類熱處理技術(shù)。它包括化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等)；表面涂層(低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光重熔復(fù)合等薄膜鍍層、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等)和非金屬涂層技術(shù)等。這些用以強(qiáng)化零件或材料表面的技術(shù)，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性。使原來在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，提高了可靠性、延長了使用壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值。1

表面改性工藝1、物理涂覆：是利用高聚物或樹脂等對材料表面進(jìn)行處理以達(dá)到填料表面改性的工藝。

2、化學(xué)包覆：是利用有機(jī)物分子中的官能團(tuán)與填料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對粉體顆粒表面進(jìn)行包覆，使顆粒表面改性的方法。

3、沉淀反應(yīng)：是通過無機(jī)化合物在顆粒表面沉淀反應(yīng)，在顆粒表面形成一層和多層包覆膜，以改善粉體表面性質(zhì)。

4、機(jī)械力化學(xué)：是利用超細(xì)粉碎或強(qiáng)烈機(jī)械作用有目的地對粉體表面進(jìn)行激活，在一定程度上改變顆粒的晶體結(jié)構(gòu)、溶解性能、化學(xué)吸附和反應(yīng)活性等，從而達(dá)到粉體表面改性的目的。

5、插層改性：是指利用層狀結(jié)構(gòu)的粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱和存在可交換陽離子等特性，通過離子交換或化學(xué)反應(yīng)改變粉體的層間和界面性質(zhì)的改性方法。2

表面改性方法表面改性方法很多。能夠改變粉體表面或界面物理化學(xué)性質(zhì)的方法，如表面有機(jī)包覆、液相化學(xué)沉淀包覆、氣相物理沉積，機(jī)械力化學(xué)、層狀結(jié)構(gòu)粉體插層等都可稱為表面改性方法。二十一世紀(jì)初工業(yè)上無機(jī)粉體表面改性常用的方法主要有表面有機(jī)包覆、沉淀反應(yīng)包覆、機(jī)械力化學(xué)及復(fù)合法等。
表面有機(jī)包覆改性是最常用的無機(jī)粉體表面改性方法。這是一種利用有機(jī)表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對顆粒表面進(jìn)行改性的方法。所用表面改性劑主要有偶聯(lián)劑(硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機(jī)絡(luò)合物、磷酸酯等)、高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、硅油或硅樹脂、有機(jī)低聚物及不飽和有機(jī)酸、水溶性高分子等。
沉淀反應(yīng)包覆是利用化學(xué)沉淀反應(yīng)將表面改性物沉淀包覆在被改性顆粒表面，是一種“無機(jī)/無機(jī)包覆”或“無機(jī)納米/微米粉體包覆”的粉體表面改性方法或粒子表面修飾方法。粉體表面包覆納米TiO2、ZnO、CaCO3等無機(jī)物的改性，就是通過沉淀反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，如云母粉表面包覆TiO2制備珠光云母；鈦白粉表面包覆SiO2和Al2O3以及硅藻土和煅燒高嶺土表面包覆納米TiO2和ZnO；硅灰石粉體表面包覆納米碳酸鈣和納米硅酸鋁。
機(jī)械力化學(xué)改性是利用粉體超細(xì)粉碎及其它強(qiáng)烈機(jī)械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面無定形化，增強(qiáng)它與有機(jī)物或其他無機(jī)物的反應(yīng)活性。機(jī)械化學(xué)作用可以提高顆粒表面的吸附和反應(yīng)活性，增強(qiáng)其與有機(jī)基質(zhì)或有機(jī)表面改性劑的使用。以機(jī)械力化學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機(jī)械融合技術(shù)，是一種對無機(jī)顆粒進(jìn)行復(fù)合處理或表面改性，如表面復(fù)合、包覆、分散的方法。
插層改性是指利用層狀結(jié)構(gòu)的粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱(如分子鍵或范德華鍵)或存在可交換陽離子等特性,通過離子交換反應(yīng)或特性吸附改變粉體性質(zhì)的方法。因此，用于插層改性的粉體一般來說具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。
復(fù)合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學(xué)和機(jī)械等）改變顆粒的表面性質(zhì)以滿足應(yīng)用的需要的改性方法。應(yīng)用的復(fù)合改性方法主要有有機(jī)物理/化學(xué)包覆、機(jī)械力化學(xué)/有機(jī)包覆、無機(jī)沉淀反應(yīng)/有機(jī)包覆等。3

表面改性設(shè)備表面改性設(shè)備可分為干法和濕法兩類。非金屬礦粉常用的干法表面改性設(shè)備是SLG型連續(xù)粉體表面改性機(jī)，高速加熱混合機(jī)，渦流磨及PSC型粉體表面改性機(jī)等。常見的濕法表面改性設(shè)備為可控溫反應(yīng)罐和反應(yīng)釜。2

粉體表面改性的研究內(nèi)容原理和方法改性原理和方法是粉體表面改性的基礎(chǔ)。主要包括：

①根據(jù)顆粒表面性質(zhì)和改性后粉體的應(yīng)用環(huán)境對表面改性劑的選擇和設(shè)計(jì)，以及顆粒表面、界面性質(zhì)與應(yīng)用性能的關(guān)系；

②顆粒表面或界面與表面改性劑的作用機(jī)理，如吸附或化學(xué)反應(yīng)的類型，作用力或鍵合力的強(qiáng)弱，熱力學(xué)性質(zhì)的變化等，進(jìn)而建立改性劑在顆粒表面的作用模型；③表面改性方法的基本原理或理論基礎(chǔ)。

表面改性劑從表面改性的涵義和目標(biāo)可以看出，在以化學(xué)助劑為改性劑的粉體表面改性中，表面改性劑在顆粒表面的作用是顆粒表面、界面性質(zhì)以及粉體應(yīng)用特性發(fā)生改變的基礎(chǔ)。因此，表面改性劑的選用十分重要。表面改性劑的研究內(nèi)容涉及種類、結(jié)構(gòu)、功能及其與各種顆粒表面基團(tuán)的作用機(jī)理或作用模型等，包括表面改性劑的分子結(jié)構(gòu)、分子量、有機(jī)烴鏈長度、活性基團(tuán)與改性產(chǎn)物性能之間的關(guān)系，改性劑用量、使用方法及新型、特效表面改性劑的設(shè)計(jì)與合成技術(shù)等。

改性工藝與設(shè)備表面改性設(shè)備是完成粉體表面改性的保障，改性工藝則是依托改性設(shè)備，并按照改性方法和改性劑等條件實(shí)現(xiàn)改性目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。涉及表面改性工藝與設(shè)備的主要研究內(nèi)容包括：改性工藝流程和T藝條件、設(shè)備類型與操作條件、影響因素以及表面改性工藝與設(shè)備的有機(jī)聯(lián)系等。

表面改性過程的控制與產(chǎn)品檢測技術(shù)這一研究領(lǐng)域涉及表面改性過程中各操作因素（如溫度、濃度、酸度、時(shí)間、改性劑用量）和結(jié)果因素（改性物表面包覆量、包覆率或包膜厚度）等參數(shù)的調(diào)控與監(jiān)控技術(shù)，包括改性產(chǎn)物的濕潤性、分散性、粒度分布特性、表面形貌、表面能、表面改性劑的吸附或反應(yīng)類型、表面包覆量、包覆率、包膜厚度、表面包覆層的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、電性能、光性能、熱性能等的檢測方法等，也包括建立控制參數(shù)與指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，以及過程的計(jì)算機(jī)仿真和自動控制等。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)