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表面改性是指利用各類材料或助劑，采用物理、化學(xué)方法對粉體表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地改善、改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)或物理技術(shù)性能，如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、表面能、表面潤濕性、電性、表面吸附和反應(yīng)特性，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。
1、改性目的
礦物填料例如碳酸鈣、云母、硅灰石、滑石、高嶺土等因為具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，能改善聚合物的力學(xué)性能、加工性能和熱性能等，其作用主要是增量、增強和賦予新的功能。但是，由于礦物填料與高聚物相容性不好，如果直接添加，會造成分散不均，而且粒徑大者還會成為聚合物中的應(yīng)力集中點，成為材料的薄弱環(huán)節(jié)，這些弊端不但限制了填料在聚合物中的添加量，而且還嚴(yán)重影響制品性能，所以通過礦物填料進(jìn)行表面改性，可以改變礦物填料表面原有的性質(zhì) (親油性、吸油率、浸潤性、混合物粘度等)，改善礦物填料與聚合物的親合性、相容性，以及加工流動性、分散性，還可以提高填料與聚合物相界面間的結(jié)合力，使復(fù)合材料的綜合性能得到顯著的提高，從而使非功能的無機填料轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄蕴盍稀?/p>
2、改性方法
填料的表面改性方法分類主要由表面包覆改性法、表面化學(xué)改性法、機械力化學(xué)改性法、沉淀反應(yīng)改性法、微改性法和高能表面改性法等。這類分類方法很直觀，但隨著表面改性技術(shù)的發(fā)展，不同方法的交互作用越來越繁雜。因此將其概括地分為物理法、化學(xué)法和機械力化學(xué)方法。
2.1 物理法
凡是不用表面改性劑而對礦物填料實施表面改性的方法，都可歸于物理法。例如高聚物包敷改性和高能改性方法等。包敷改性是借助粘附力用高聚物或樹脂等對礦物填料進(jìn)行包覆改性的方法。如用PEG包覆硅灰石，將此改性硅灰石填充PP，能有效地提高PP的缺口沖擊強度和低溫性能。高能表面改性是利用等離子體、電暈放電、紫外線等手段對礦物進(jìn)行表面改性的方法。
通過高能輻照碳酸鈣表面，接上乙烯基單體形成一層有機膜。該有機膜改善了HDPE和CaCO3之間的相容性，改性后體系的拉伸強度和沖擊韌性有明顯的提高，加工流變性能也有所改善，其熔體粘度低，溫度敏感性好。這種方法改性效果好，填料表面生成的有機膜具有高度均勻、致密、與基體粘附強等優(yōu)點。這是別的表面改性方法所無法達(dá)到的，但該工藝復(fù)雜、成本高。
2.2 化學(xué)法
利用各種表面改性劑或化學(xué)反應(yīng)而對礦物填料進(jìn)行表面改性的方法通稱為化學(xué)法。表面改性劑分子一端為極性基團(tuán)，能與礦物填料表面發(fā)生物理吸附或化學(xué)反應(yīng)而連接在一起，而另一端的親油性基團(tuán)與基體樹脂形成物理纏繞或化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果，表面改性劑在礦物填料和高聚物之間架起一座“分子橋”，將極性不同、相容性很差的兩種物質(zhì)偶聯(lián)起來，從而增強了高聚物基體和礦物填料之間的相互作用，改善制品性能。
表面化學(xué)改性常用的表面改性劑主要有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋯鋁酸鹽偶聯(lián)劑、有機鉻偶聯(lián)劑、高級脂肪酸及其鹽、有機銨鹽及其他各種類型表面活性劑、磷酸酯、不飽和有機酸等。具體選用時要綜合考慮粉體的表面性質(zhì)、改性產(chǎn)品的用途、質(zhì)量要求、處理工藝以及表面改性劑的成本等因素。
2.3 機械力化學(xué)改性
機械力化學(xué)改性指的是通過粉碎、磨碎、磨擦等機械方法，使礦物晶格結(jié)構(gòu)、晶型等發(fā)生變化，體系內(nèi)能增大，溫度升高，促使粒子熔解、熱分解、產(chǎn)生游離基或離子，增強礦物表面活性，促使礦物和其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相互附著，達(dá)到表面改性目的的改性方法。
機械力化學(xué)改性有兩層含義：，利用礦物超細(xì)粉碎過程中機械應(yīng)力的作用礦物表面，使表面晶體結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)改性，滿足應(yīng)用需要；第二，利用機械應(yīng)力對表面的作用和由此產(chǎn)生的離子和游離基，引發(fā)單體烯烴類有機物聚合，或使偶聯(lián)劑等表面改性劑附著而實現(xiàn)改性。通常說的機械力化學(xué)改性一般指第二層含義。利用機械力化學(xué)改性方法，可以對填料進(jìn)行表面改性、表面接枝改性和粒-粒包覆改性。
3、表面改性案例
目前填料改性主要是應(yīng)用偶聯(lián)劑處理其表面，因為偶聯(lián)劑的分子中通常含有幾類性質(zhì)和作用不同的基團(tuán)，其功能是改善填料與聚合物之間的相容性，從而增強填充復(fù)合體系中組分界面之間的相互作用。偶聯(lián)劑的選擇應(yīng)考慮填料表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，偶聯(lián)劑酸堿性、中心原子的電負(fù)性、幾何結(jié)構(gòu)和空間位阻等；偶聯(lián)劑種類主要有硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、鋁鈦復(fù)合類、硼酸酯類、稀土類等。
用鈦酸酯、鋁酸酯、硼酸酯對滑石粉表面改性，幾種偶聯(lián)劑對滑石粉都起到了活化的作用(增大了與誰的接觸角，提高了活化率)，但不同細(xì)度的滑石粉對偶聯(lián)劑的適用也不一樣。對1000目和1250目的滑石粉1.6%的鈦酸酯的改性效果較好；對更細(xì)的滑石粉(2200目)，則用1.2%硼酸酯的改性效果較好；而鋁酸酯的改性效果對較粗的滑石粉效果次于鈦酸酯，對細(xì)的產(chǎn)品則改性效果較差。
有研究表面，不同性能的偶聯(lián)劑對滑石粉填充PP的力學(xué)性能（見表1）影響較大，其中硅烷，鈦酸酯次之，鋁酸酯較差，而且影響的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過偶聯(lián)劑對碳酸鈣的影響。造成這種差異的原因主要在于粉體的結(jié)構(gòu)不同，滑石粉在改性過程中，由于粉體間的摩擦，滑石粉可以沿解理面剝離，而產(chǎn)生新的表面，導(dǎo)致活化不完全，另一方面偶聯(lián)劑中心原子不同對改性結(jié)果也產(chǎn)生了重要影響。
韌小編注：在熱塑性彈性體TPE行業(yè)，在一些高填充的熱塑性彈性體中，加了碳酸鈣比較多，比如40%含量，則會發(fā)生比較嚴(yán)重的刮白現(xiàn)象，這個時候尤其需要對碳酸鈣進(jìn)行表面處理，比如使用硅烷偶聯(lián)劑處理，處理的工藝非常重要，溫度、時間都要很充分，不然效果就不好。
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