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表面改性是指利用各類材料或助劑，采用物理、化學方法對粉體表面進行處理，根據(jù)應用的需要有目的地改善、改變粉體表面的物理化學性質(zhì)或物理技術(shù)性能，如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團、表面能、表面潤濕性、電性、表面吸附和反應特性，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性質(zhì)，能改善聚合物的力學性能、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，而且還嚴重影響制品性能，所以通過礦物填料進行表面改性，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、表面化學改性法、機械力化學改性法、沉淀反應改性法、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、化學法和機械力化學方法。

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到的，但該工藝復雜、成本高。

2.2 化學法

利用各種表面改性劑或化學反應而對礦物填料進行表面改性的方法通稱為化學法。表面改性劑分子一端為極性基團，能與礦物填料表面發(fā)生物理吸附或化學反應而連接在一起，而另一端的親油性基團與基體樹脂形成物理纏繞或化學反應。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 機械力化學改性

機械力化學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)生化學反應或相互附著，達到表面改性目的的改性方法。

機械力化學改性有兩層含義：，利用礦物超細粉碎過程中機械應力的作用礦物表面，使表面晶體結(jié)構(gòu)與物理化學性質(zhì)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)改性，滿足應用需要；第二，利用機械應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改性一般指第二層含義。利用機械力化學改性方法，可以對填料進行表面改性、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，其功能是改善填料與聚合物之間的相容性，從而增強填充復合體系中組分界面之間的相互作用。偶聯(lián)劑的選擇應考慮填料表面結(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，而且影響的幅度遠遠超過偶聯(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)生比較嚴重的刮白現(xiàn)象，這個時候尤其需要對碳酸鈣進行表面處理，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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