粉體材料技術(shù)及應(yīng)用分析
(上海匯精亞納米新材料有限公司）
（安徽省鳳陽匯精納米新材料科技有限公司）
劉濤
粉體技術(shù)是一門以固體顆粒狀物質(zhì)為對象，研究其性質(zhì)、制備、加工和應(yīng)用的綜合性技術(shù)，包括破碎、粉磨、均化、分級、干燥、混合、儲存以及改性等工序，目前粉體技術(shù)已發(fā)展到超細(xì)粉體技術(shù)和納米粉體技術(shù)，所謂超細(xì)粉體技術(shù)是指粒徑小于10微米的粉體，達到超細(xì)或者納米的粉體，其物理及化學(xué)性能都會發(fā)生極大的變化。所謂納米粉體是指粒徑小于100nm的粉體，其性能更為奇特，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域都能顯著提升產(chǎn)品的性能、品質(zhì)。
超細(xì)粉體、納米粉體的應(yīng)用：
一、無機超細(xì)粉體
無機粉體填充改性塑料：無機粉體填充改性塑料在我國已有三十多年的歷史。最初主要以降低成本為目的。隨著無機粉材料品種的增加、科學(xué)技術(shù)的進步、粉體粒徑的超細(xì)化及新的表面活性處理劑不斷出現(xiàn)，表面活性處理技術(shù)和填充改性理論的發(fā)展，無機粉體填充改性塑料正由原來單純追求降低成本，已發(fā)展成開發(fā)新的功能性材料的重要手段。
從環(huán)境保護考慮，將無機粉體改性塑料作為環(huán)境友好材料，希望無機粉體填充量越多越好。但無機粉體填充量過多會使材料的功能性、力學(xué)性能和使用性能下降，如何解決好這一矛盾問題既關(guān)系到這種環(huán)境友好材料更關(guān)系到無機粉體填充改性塑料今后能否持續(xù)健康發(fā)展的大問題。眾所周知，無機粉體填充塑料，除少數(shù)粉狀樹脂如PVC是將無機粉體直接與樹脂混合使用外，絕大多數(shù)是通過填充母粒的方式或者進行工程塑料改性的方式添加。本文想就這個問題做出如下分析：
1、無機粉體的選擇
可用于塑料填充改性的無機粉體種類很多，常見的有：重鈣、輕鈣、滑石粉、煅燒高嶺土、硅灰石粉、云母粉、氫氧化鋁和氫氧化鎂粉等，功能性新型材料有：納米活性碳酸鈣、空心微珠、晶須硅、復(fù)合陶瓷微珠等。品種不同，功能也不同。與含鹵有機阻燃劑配合使用，具有協(xié)同作用，可以提高制品的阻燃效果；云母粉呈片狀晶形。徑厚比大，除具有補強作用外，還可提高塑料的剛性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，云母粉的透光率比其它任何無機粉體都好，并有阻隔紅外線功能，被廣泛用于大棚膜中。如果從減量化、資源化、有利于環(huán)保和降低成本考慮，在眾多無機粉體中當(dāng)屬于重質(zhì)碳酸鈣，其白度高、資源豐富、易加工、價格低；其次是輕質(zhì)碳酸鈣。這兩種碳酸鈣在填充改性塑料中用量最大，所涉及的塑料制品也最多。空心微珠用于塑料可降低收縮變形率、改善加工性能、消除浮纖外露，保持產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性，提高熱變形溫度；晶須硅主要是起到顯著的增強增硬效果。作為填充改性塑料用無機粉體在質(zhì)量要求上除純度外，很重要的一項技術(shù)指標(biāo)是粒徑和粒徑分布。粒徑大小，工業(yè)習(xí)慣用目數(shù)表示。從理論上來說無機粉體的粒徑越小，填充到樹脂中制得材料的力學(xué)性越好，但實際情況并非如此。粉體的粒徑越小，比表面積越大，粒子的內(nèi)聚能越高，越容易團聚，填充到塑料中不易分散，相反會使材料的力學(xué)性能下降，因此，如何提高分散性，從而充分發(fā)揮超細(xì)材料的性能特點是市場必然要求。
2、粉體表面活化處理劑與處理技術(shù)
無機粉體粒子為極性，而樹脂為非極性，二者難以相容。要想使無機粒子均勻地分布到樹脂中，并能與樹脂的分子鏈產(chǎn)生較強的親合力，必須對無機粒子表面進行活性處理。目前所用活性劑有表面活性劑，如：硬脂酸偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、酸式亞磷酸酯偶聯(lián)劑、稀土偶聯(lián)劑和鋁／鈦復(fù)合偶聯(lián)劑等；高分子處理劑如：聚烯烴馬來酸酐接枝共聚物等。
該技術(shù)的特點是：在使無機粉體與樹脂之間形成較強結(jié)合力的同時，由于所用的二次包膜活化劑的結(jié)構(gòu)特征，可以在無機粒子表面形成一層彈性膜，當(dāng)復(fù)合材料受到外力沖擊時，由于彈性膜的緩沖作用，可使應(yīng)力得以分散。所以采用該技術(shù)處理無機粉體所制得的復(fù)合材料具有顯著的補強增韌功能。因此，對粉體材料進行表面活性處理是粉體應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。上海匯精亞納米新材料有限公司分公司是國內(nèi)專業(yè)進行粉體材料表面活性處理的企業(yè)。
無機粉體填充改性塑料在我國塑料工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了十分重要的作用，尤其對石油資源貧乏的我國來說，今后將會發(fā)揮更大作用。正由于如此，業(yè)內(nèi)人士和社會各階層也就更要正確對待和評價無機粉體填充改性塑料。無機粉體畢竟不是高分子材料，與樹脂相比是資源豐富的廉價原料，對填充改性塑料不能以純塑料的標(biāo)準(zhǔn)去要求它，盡管在某些性能方面它可能比純塑料好，但必須以犧牲其它性能為代價。降低成本，節(jié)約石油資源有利于環(huán)境保護是無機粉體填充改性塑料的最大優(yōu)勢，只有正確認(rèn)識這一點，才能使無機粉體填充改性塑料沿著正確方向健康快速發(fā)展。
二、納米粉體
納米粉體是具有奇特和優(yōu)良的功能性材料。在目前世界上應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域向民用領(lǐng)域發(fā)展；在軍事、能源、化工化學(xué)、敏感材料、光電、食品衛(wèi)生、環(huán)保和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用具有十分廣擴的前景；在人們的日用生活制品領(lǐng)域，可涉及衣、食、住、行等各方面；可顯著改善人們的生活環(huán)境、身體健康和生活質(zhì)量。同時，納米粉體在水和空氣污染的治理上也能有廣泛的應(yīng)用，這點對我國環(huán)境治理工作有著重大意義。納米材料是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最附有活力、對未來經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展有著重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍最先得到應(yīng)用的重要組成部分。納米材料制品作為一種高科技產(chǎn)品，其優(yōu)良的性能，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)和社會的不斷進步，代表21世紀(jì)先進科技的納米技術(shù)和產(chǎn)業(yè)必將得到長足進展。
隨著工業(yè)社會的發(fā)展和人口的增加，人類本已有限的水資源受到日益嚴(yán)重的污染，水污染為當(dāng)今社會的嚴(yán)重問題。而近年來逐漸發(fā)展起來的光催化氧化技術(shù)為治理水源的有機物污染提供了一條新的途徑。納米Ti02是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光催化劑，具有著以下優(yōu)點：對光的吸收率較高；化學(xué)穩(wěn)定性良好；氧化還原能力強，有較高的光催化活性；對很多有機污染物有較強的催化降解作用，是目前用于光催化的主要材料，廣泛應(yīng)用于空氣凈化、水處理、抗菌紡織、納米涂料、納米塑料、防曬化妝品等領(lǐng)域。
納米Ti02是目前應(yīng)用最為廣泛的一種納米材料，其具有的不透明性、紫外線吸收性以及熔點低、磁性強、熱導(dǎo)性能等特征，使其在空氣凈化、紡織、化妝品、塑料、涂料、精細(xì)陶瓷及催化劑等眾多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。光催化氧化的機理主要是自由基反應(yīng)，而體系產(chǎn)生的活性中間體H202則是形成自由基的重要引發(fā)劑。在紫外光結(jié)合氧化劑對有機污染物進行氧化降解的過程中，在多數(shù)情況下主要是利用了羥基自由基的產(chǎn)生及其一系列的反應(yīng)。在超微細(xì)Ti02、水和空氣的體系中，把分散在溶液中的每一顆Ti02半導(dǎo)體微粒近似地看成是一個小型的短路的光電化學(xué)電池，當(dāng)用能量大于能帶隙的光，尤其是紫外線的光照射時，Ti02超微粒子吸收光而自行分解出自由移動的帶負(fù)電的電子(e．)和帶正電的空穴(h+)，形成電子一空穴對，吸附溶解在Ti02表面的氧俘獲電子形成·02，而空穴則將吸附在Ti02表面的OH_和H20氧化成·OH。新生成的這兩種自由基具有很強的化學(xué)活性，特別是原子氧能與多數(shù)有機物發(fā)生氧化反應(yīng)，因而能有效分解水中多種有機物質(zhì)，使水中的有機污染物徹底氧化降解為C02和H20：同時還可以氧化細(xì)菌內(nèi)的有機物，從而殺死細(xì)菌；還能氧化有毒的無機物，使之在短時期內(nèi)失去毒性。
研究發(fā)現(xiàn)，納米Ti02光催化劑催化活性的高低取決于納米粒子的粒徑和晶型。納米Ti02主要有2種晶型：金紅石和銳鈦礦三種晶型。研究表明金紅石型Ti02僅有微弱的光催化活性，銳鈦礦型Ti02的光催化活性最強。然而，粉末狀納米Ti02催化劑在使用過程中存在著易失活、易凝聚和難回收等弱點，人們嘗試將Ti02粉末固定在某一載體上，制備了負(fù)載型的Ti02光催化劑。目前，光催化劑載體主要有兩大類：無機載體和有機載體。無機載體主要是以含硅物質(zhì)為基質(zhì)，具有極好的耐熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在燒結(jié)過程中基質(zhì)與催化劑顆粒間會產(chǎn)生較強的粘結(jié)力。在有機材料上固載Ti02存在著一定的困難，因為大多數(shù)有機質(zhì)本身不耐光催化劑的強氧化反應(yīng)。至今，已發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外線的照射下被Ti02降解。特別是當(dāng)水中有機污染物用其他方法很難降解時，這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。上海匯精亞納米新材料有限公司利用自身優(yōu)勢，研發(fā)生產(chǎn)的復(fù)合納米光觸媒空心陶瓷微珠及光催化蜂窩陶瓷，就是利用納米二氧化鈦的光催化特性，應(yīng)用于污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域，取得顯著的實效。
1、處理受染料工業(yè)污染的源水：受染料業(yè)污染的水中含有苯環(huán)、胺基、偶氮基等致癌
物質(zhì)，常規(guī)方法處理水溶性染料的降解效率通常很低。研究發(fā)現(xiàn)，用Ti02／Sich體素能夠很迅速地降解R．6G染料，而且可以破壞染料分子中的芳香基團，達到完全降解的目的。另有報道稱，對于電鍍、制革和印染行業(yè)廢水中的常見污染組分Cr(VI)，采用P25 Ti02作為光催化劑，在苯酚、葡萄糖等有機物存在的情況下，能有效地促進其光催化還原，達到C“VD完全被去除的效果。為便于工業(yè)應(yīng)用，把表面涂覆有納米Ti02膜的玻璃填料充于玻璃反應(yīng)器內(nèi)，通過潛水泵使微污染水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)進行光催化氧化處理。由于納米Ti02具有巨大的比表面積，與水中有機物接觸更為充分，可將它們最大限度地吸附在其表面，迅速將有機物分解為C02和H20，處理效果優(yōu)于生物處理和懸浮光催化氧化處理，COD除去率和脫色率均較高。催化劑再生后能連續(xù)使用對二氧化鈦對三苯基甲烷等染料的光催化降解研究發(fā)現(xiàn)除二氧化鈦的晶型外，pH值、催化劑濃度及有無氧化劑的存在等因素對降解速率都有一定的影響的研究表明，有Ti02涂層的碳粉對亞甲蘭在紫外光下有較高的光催化降解活性，而表面有碳涂層的Ti02 則是很好的重油吸附劑，碳涂層吸附的重油在紫外光作用下被Ti02光催化降解，碳涂層本身也有催化降解作用，而且它能夠使Ti02在高溫下保持高活性的銳鈦礦晶型H81。方世杰、徐明霞和黃衛(wèi)友等制備了10I吼左右的Ti02顆粒并把它制備為玻璃襯底薄膜進行紫外光光催化降解甲基橙的研究，發(fā)現(xiàn)催化劑用量、甲基橙初始量、pH值、光強度等對甲基橙脫色率都有影響。
2、處理受農(nóng)藥污染的源水：目前對有機磷農(nóng)藥污染水處理多用生化法，處理后廢水中
有機磷質(zhì)量濃度仍較高。
3、處理含氯代有機物的源水：日本東京大學(xué)野口真用納米Ti02光催化劑與臭氧聯(lián)合進行水的凈化處理。在模擬水處理實驗中，以質(zhì)量濃度為16m∥L的三氯酚的水溶液，分別采用納米Ti02光催化劑與臭氧聯(lián)合，單獨用光催化劑納米Ti02和單獨用三種方法對其進行處理。納米Ti02光催化劑與臭氧聯(lián)合處理2h后，三氯酚的殘留質(zhì)量濃度已為零，效果相當(dāng)明顯。用內(nèi)表面涂覆納米Ti02光催化劑的陶瓷圓管處理質(zhì)量濃度為5．5m∥L苯酚和三氯乙烯水溶液的實驗表明，苯酚在1．5h后完全分解，三氯乙烯也在2h內(nèi)完全分解。
4、處理含表面活性劑的源水：生活污水中含有表面活性劑，易產(chǎn)生異味和泡沫。非離子型和陽離子型表面活性劑會產(chǎn)生有毒或者不溶解的中間體。采用納米Ti02光催化分解表面活性劑已取得較好效果。雖然表面活性劑中的鏈烷烴部分采用光催化降解反應(yīng)還較難完全氧化成C02，但由于苯環(huán)被破壞，其毒性大為降低，生成長鏈烷烴副產(chǎn)物對環(huán)境的危害明顯減小。
5、處理受污染的地下水源：工農(nóng)業(yè)排放廢水滲入地下水中的有機物含量增加，這些有機物易與水處理過程中的氯反應(yīng)生成致癌性的三鹵化物(THM)。據(jù)報道，Ti02膜能脫除水中97％的有機鹵素化合物，總有機碳(TOC)含量可降低90％以上，并能減少鹽分、硬度、重金
屬和其他污染物，降低顏色深度，脫除大量的可溶性有機物質(zhì)，減少形成THM的前體物。
6、處理含油污染的源水：對于不溶于且漂浮于水面上的油類污染物的處理，也是近年
來人們很關(guān)注的一個課題。含油廢水中所含的脂肪烴、多環(huán)芳烴、有機酸類、酚類等有機物很難降解，使用納米Ti02利用其光催化解功能，可迅速降解這些有機物。但由于Ti02的密度遠(yuǎn)大于水，Ti02顆粒將沉于水底，起不到光催化劑作用，并難以回收。上海匯精亞納米新材料有限公司研究開發(fā)的可以漂浮在水面上的納米復(fù)合空心陶瓷微珠徹底解決了這個問題。由此可見二氧化鈦粉體在環(huán)保中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛且起著重要的作用。
我國粉體工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀非金屬礦物精細(xì)粉體和功能性非金屬礦物材料是伴隨現(xiàn)代科技革命、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會進步、人類生活質(zhì)量的提高和環(huán)保意識的普遍覺悟而發(fā)展起來的。經(jīng)過近些年的發(fā)展，我國非金屬礦加工業(yè)已形成相當(dāng)大的規(guī)模。在普通或大眾產(chǎn)品方面不僅能基本滿足國內(nèi)市場所需，而且還能大量出口，在國際非金屬礦產(chǎn)品粉體市場占有較重要的地位。非金屬礦物粉體加工技術(shù)的發(fā)展及在現(xiàn)代高技術(shù)新材料中的廣泛應(yīng)用是以其特有的功能為前提的。因此功能化是非金屬礦物粉體的發(fā)展方向和粉體加工技術(shù)追求的目標(biāo)。
自改革開放以來，我國的非金屬工業(yè)雖然取得了很大發(fā)展，加工技術(shù)也有了很大進步，但仍然面臨很多挑戰(zhàn)。我國非金屬礦深加工產(chǎn)業(yè)雖然有了較大的發(fā)展，但有些所謂的深加工產(chǎn)品卻找不到市場，企業(yè)經(jīng)營很困難，我們每年向國外出口大量的非金屬礦產(chǎn)品，有些礦種的出口量居世界第一，但國內(nèi)相關(guān)企業(yè)卻還須進口深加工產(chǎn)品，有些深加工產(chǎn)品甚至是用我國出口的原料或初加工產(chǎn)品加工后回銷的。除了我國企業(yè)經(jīng)濟實力、市場營銷以及技術(shù)開發(fā)能力不強等之外，其中一個很重要的原因是我國非金屬礦行業(yè)往往較多注意資源的開發(fā)而忽視產(chǎn)品功能的開發(fā)和提升。我們一些企業(yè)在開發(fā)資源和上項目時，往往不注意認(rèn)真研究市場、如何從產(chǎn)品功能上滿足市場要求、適應(yīng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，如何通過應(yīng)用研究挖掘和提升產(chǎn)品的功能和應(yīng)用性能，如何在加工過程中注意保護生態(tài)環(huán)境�，F(xiàn)代高技術(shù)和新材料的發(fā)展是對更高的科技含量、較低的環(huán)境負(fù)荷和更適應(yīng)社會發(fā)展的需要為前提的，非金屬礦物粉體和材料也不例外。只有功能明確或突出，能滿足相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求和環(huán)保要求的非金屬礦物粉體或深加工產(chǎn)品才可能贏得穩(wěn)定的市場。因此，未來非金屬礦物粉體材料的發(fā)展趨勢將是交叉、融臺礦物學(xué)、粉體加工、材料學(xué)以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域不同學(xué)科，合作研究、不斷發(fā)掘和提升非金屬礦物粉體產(chǎn)品的功能和應(yīng)用性能，促進相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
我們相信：不斷完善、充實的粉體技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境工程學(xué)科中來，必將推動環(huán)境工程的發(fā)展；反過來又為粉體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)，也必將拓寬粉體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時被稱之為2l世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對環(huán)境保護產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念，利用納米技術(shù)解決污染問題將成為未來環(huán)境保護發(fā)展的必然趨勢。
