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等离子体改性无机粉体的应用

随着无机粉体应用领域的拓宽,对其性能的要求越来越高,各种改性技术应运而生,以求改善其表面化学性质,如改变粉体表面结构、改善粉体的分散性和润湿性、亲水性、表面能等,提高其工作性能和效率。

无机粉体表面处理的目的主要是抑制其团聚,增加其在聚合物中的分散性和相容性。利用无机粉体与聚合物形成复合材料可以赋予体系更好的力学、光学、电学等性能,被越来越多地用于电子、生物、膜分离、催化、航天航空等高技术领域,传统的湿法表面改性存在工艺复杂,环境友好性差等不足。在众多改性方法中,低温等离子体表面处理技术由于其工艺简单,无需溶剂、节能高效等特点成为粉体处理的最热门研究技术之一。

1、改变粉体表面结构

等离子体处理粉体表面后,使其结构会发生明显变化。研究者采用放电气压 16Pa、放电功率 55W 的条件下,用丙烯酸等离子体对TiO2纳米颗粒表面处理2h,通过透射电镜对处理前后的TiO2纳米颗粒进行分析时发现,经改性处理的 TiO2粉体表面生成了一层结合紧密的有机物,其厚度为3~5nm,表明通过等离子体聚合在 TiO2粉体的表面沉积了丙烯酸薄膜。

丙烯酸等离子体处理后TiO2纳米颗粒应用于光催化

研究者利用吡咯等离子体在放电气压 25Pa、放电功率 10W 的条件下,对Al2O3纳米颗粒处理24min。从 HRTEM 照片中能够清晰地看到,在不同尺寸Al2O3纳米颗粒上的超薄吡咯薄膜,其厚度大约为 2nm,均匀并具有典型的非晶结构。

2、改善粉体表面润湿性

无机粉体表面通常含有亲水性较强的羟基,呈现较强的碱性。其亲水疏油的性质使粉体与有机基体的亲和性差。为了改善二者之间的相容性,可对粉体进行表面改性。 粉体经等离子体处理后,其表面将生成一层有机包覆层,导致表面润湿性发生变化。

例如经过等离子体处理后的碳酸钙粉体表面接触角明显增大,改性后的碳酸钙粉体表面性质由亲水性向亲油性转变。采用不同的等离子体(甲基丙烯酸酯、丙烯胺、环乙胺、苯乙烯)处理的碳酸钙粉体接触角有较大差别,如下表所示:

等离子体处理气氛
接触角/(°)
甲基丙烯酸酯
63
丙烯胺
75
环乙胺
117
苯乙烯
127

在丝网印刷技术中,制备电子浆料采用的超细粉体一般是无机粉体,其表面积大,极易发生团聚形成大的二次颗粒,在有机载体中难于分散。这将对浆料的印刷性能以及制备的电子元器件性能产生不利影响。采用六甲基二硅氧烷作为等离子聚合单体对玻璃粉体进行表面改性,在粉体表面聚合形成了低表面能的聚合物,使表面疏水性增强。当形成的聚合物完全覆盖粉体表面时,接触角达到最大,通过改变粉体表面包覆的聚合物的数量,改变或控制粉体的表面能,改善其在有机载体中的分散性能。

3、改善粉体分散性

采用低温等离子体对无机粉体进行表面改性, 通过反应在其表面形成聚合物层,这样可以降低粉体的表面能,减小团聚生成的倾向。同时聚合物层还可以增加粉体与有机高聚物的相容性,从而改善了粉体在其中的分散性能。

例如制备氧化锆陶瓷工艺工程中,对超细ZrO2粉体进行低温等离子体改性处理,使ZrO2粉体表面聚合了聚乙烯、聚苯乙烯以及聚甲基丙烯酸甲酯等不同的聚合物层,该聚合物膜的形成能够显著改善 ZrO2粉体的分散性。

低温等离子体技术具有工艺简单、高效快速、节能环保等特点,是一种“绿色”特征明显的粉体表面处理技术,开发潜力巨大,应用前景广阔。目前,等离子体处理和等离子体聚合相结合的技术是很有前途的表面处理方法。

推荐使用机型:小型旋转滚筒式等离子清洗机,被广大院校所采用的。腔体采用特需的滚筒结构,非常适合粉末状物品处理。

粉体专用等离子清洗机

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