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(yáng)匯精納米新材料科技有限公司）
劉濤
粉體技術(shù)是一門(mén)以固體顆粒狀物質(zhì)為對(duì)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(jí)、干燥、混合、儲(chǔ)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(dá)到超細(xì)或者納米的粉體，其物理及化學(xué)性能都會(huì)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(wú)機(jī)超細(xì)粉體
無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料：無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料在我國(guó)已有三十多年的歷史。最初主要以降低成本為目的。隨著無(wú)機(jī)粉材料品種的增加、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(wú)機(jī)粉體填充改性塑料正由原來(lái)單純追求降低成本，已發(fā)展成開(kāi)發(fā)新的功能性材料的重要手段。
從環(huán)境保護(hù)考慮，將無(wú)機(jī)粉體改性塑料作為環(huán)境友好材料，希望無(wú)機(jī)粉體填充量越多越好。但無(wú)機(jī)粉體填充量過(guò)多會(huì)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(wèn)題既關(guān)系到這種環(huán)境友好材料更關(guān)系到無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料今后能否持續(xù)健康發(fā)展的大問(wèn)題。眾所周知，無(wú)機(jī)粉體填充塑料，除少數(shù)粉狀樹(shù)脂如PVC是將無(wú)機(jī)粉體直接與樹(shù)脂混合使用外，絕大多數(shù)是通過(guò)填充母粒的方式或者進(jìn)行工程塑料改性的方式添加。本文想就這個(gè)問(wèn)題做出如下分析：
1、無(wú)機(jī)粉體的選擇
可用于塑料填充改性的無(wú)機(jī)粉體種類(lèi)很多，常見(jiàn)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(jī)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(bǔ)強(qiáng)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(jià)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(qiáng)增硬效果。作為填充改性塑料用無(wú)機(jī)粉體在質(zhì)量要求上除純度外，很重要的一項(xiàng)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(lái)說(shuō)無(wú)機(jī)粉體的粒徑越小，填充到樹(shù)脂中制得材料的力學(xué)性越好，但實(shí)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(tuán)聚，填充到塑料中不易分散，相反會(huì)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(diǎn)是市場(chǎng)必然要求。
2、粉體表面活化處理劑與處理技術(shù)
無(wú)機(jī)粉體粒子為極性，而樹(shù)脂為非極性，二者難以相容。要想使無(wú)機(jī)粒子均勻地分布到樹(shù)脂中，并能與樹(shù)脂的分子鏈產(chǎn)生較強(qiáng)的親合力，必須對(duì)無(wú)機(jī)粒子表面進(jìn)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(lái)酸酐接枝共聚物等。
該技術(shù)的特點(diǎn)是：在使無(wú)機(jī)粉體與樹(shù)脂之間形成較強(qiáng)結(jié)合力的同時(shí)，由于所用的二次包膜活化劑的結(jié)構(gòu)特征，可以在無(wú)機(jī)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(shí)，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(wú)機(jī)粉體所制得的復(fù)合材料具有顯著的補(bǔ)強(qiáng)增韌功能。因此，對(duì)粉體材料進(jìn)行表面活性處理是粉體應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢(shì)。上海匯精亞納米新材料有限公司分公司是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行粉體材料表面活性處理的企業(yè)。
無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料在我國(guó)塑料工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了十分重要的作用，尤其對(duì)石油資源貧乏的我國(guó)來(lái)說(shuō)，今后將會(huì)發(fā)揮更大作用。正由于如此，業(yè)內(nèi)人士和社會(huì)各階層也就更要正確對(duì)待和評(píng)價(jià)無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料。無(wú)機(jī)粉體畢竟不是高分子材料，與樹(shù)脂相比是資源豐富的廉價(jià)原料，對(duì)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(jià)。降低成本，節(jié)約石油資源有利于環(huán)境保護(hù)是無(wú)機(jī)粉體填充改性塑料的最大優(yōu)勢(shì)，只有正確認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，才能使無(wú)機(jī)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(kuò)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(shí)，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(diǎn)對(duì)我國(guó)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(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展有著重要影響的研究對(duì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(huì)的不斷進(jìn)步，代表21世紀(jì)先進(jìn)科技的納米技術(shù)和產(chǎn)業(yè)必將得到長(zhǎng)足進(jìn)展。
隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展和人口的增加，人類(lèi)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(huì)的嚴(yán)重問(wèn)題。而近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的光催化氧化技術(shù)為治理水源的有機(jī)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(diǎn)：對(duì)光的吸收率較高；化學(xué)穩(wěn)定性良好；氧化還原能力強(qiáng)，有較高的光催化活性；對(duì)很多有機(jī)污染物有較強(qiáng)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(diǎn)低、磁性強(qiáng)、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(jī)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(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行氧化降解的過(guò)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(gè)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(shí)，Ti02超微粒子吸收光而自行分解出自由移動(dòng)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(duì)，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(qiáng)的化學(xué)活性，特別是原子氧能與多數(shù)有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，因而能有效分解水中多種有機(jī)物質(zhì)，使水中的有機(jī)污染物徹底氧化降解為C02和H20：同時(shí)還可以氧化細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物，從而殺死細(xì)菌；還能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，使之在短時(shí)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(qiáng)。然而，粉末狀納米Ti02催化劑在使用過(guò)程中存在著易失活、易凝聚和難回收等弱點(diǎn)，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(lèi)：無(wú)機(jī)載體和有機(jī)載體。無(wú)機(jī)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(guò)程中基質(zhì)與催化劑顆粒間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)力。在有機(jī)材料上固載Ti02存在著一定的困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有機(jī)質(zhì)本身不耐光催化劑的強(qiáng)氧化反應(yīng)。至今，已發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機(jī)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(jī)污染物用其他方法很難降解時(shí)，這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。上海匯精亞納米新材料有限公司利用自身優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(tuán)，達(dá)到完全降解的目的。另有報(bào)道稱(chēng)，對(duì)于電鍍、制革和印染行業(yè)廢水中的常見(jiàn)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(jī)物存在的情況下，能有效地促進(jìn)其光催化還原，達(dá)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(guò)潛水泵使微污染水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)進(jìn)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(jī)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(jī)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(duì)二氧化鈦對(duì)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(wú)氧化劑的存在等因素對(duì)降解速率都有一定的影響的研究表明，有Ti02涂層的碳粉對(duì)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(jìn)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(qiáng)度等對(duì)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(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥污染水處理多用生化法，處理后廢水中
有機(jī)磷質(zhì)量濃度仍較高。
3、處理含氯代有機(jī)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(jìn)行水的凈化處理。在模擬水處理實(shí)驗(yàn)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(dú)用光催化劑納米Ti02和單獨(dú)用三種方法對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yáng)離子型表面活性劑會(huì)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(zhǎng)鏈烷烴副產(chǎn)物對(duì)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(jī)物含量增加，這些有機(jī)物易與水處理過(guò)程中的氯反應(yīng)生成致癌性的三鹵化物(THM)。據(jù)報(bào)道，Ti02膜能脫除水中97％的有機(jī)鹵素化合物，總有機(jī)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(jī)物質(zhì)，減少形成THM的前體物。
6、處理含油污染的源水：對(duì)于不溶于且漂浮于水面上的油類(lèi)污染物的處理，也是近年
來(lái)人們很關(guān)注的一個(gè)課題。含油廢水中所含的脂肪烴、多環(huán)芳烴、有機(jī)酸類(lèi)、酚類(lèi)等有機(jī)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(jī)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(kāi)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(gè)問(wèn)題。由此可見(jiàn)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(guó)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(huì)進(jìn)步、人類(lèi)生活質(zhì)量的提高和環(huán)保意識(shí)的普遍覺(jué)悟而發(fā)展起來(lái)的。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，我國(guó)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需，而且還能大量出口，在國(guó)際非金屬礦產(chǎn)品粉體市場(chǎng)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(kāi)放以來(lái)，我國(guó)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(jìn)步，但仍然面臨很多挑戰(zhàn)。我國(guó)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(chǎng)，企業(yè)經(jīng)營(yíng)很困難，我們每年向國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)卻還須進(jìn)口深加工產(chǎn)品，有些深加工產(chǎn)品甚至是用我國(guó)出口的原料或初加工產(chǎn)品加工后回銷(xiāo)的。除了我國(guó)企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)以及技術(shù)開(kāi)發(fā)能力不強(qiáng)等之外，其中一個(gè)很重要的原因是我國(guó)非金屬礦行業(yè)往往較多注意資源的開(kāi)發(fā)而忽視產(chǎn)品功能的開(kāi)發(fā)和提升。我們一些企業(yè)在開(kāi)發(fā)資源和上項(xiàng)目時(shí)，往往不注意認(rèn)真研究市場(chǎng)、如何從產(chǎn)品功能上滿足市場(chǎng)要求、適應(yīng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，如何通過(guò)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(guò)程中注意保護(hù)生態(tài)環(huán)境�，F(xiàn)代高技術(shù)和新材料的發(fā)展是對(duì)更高的科技含量、較低的環(huán)境負(fù)荷和更適應(yīng)社會(huì)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(jìn)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(chǎng)。因此，未來(lái)非金屬礦物粉體材料的發(fā)展趨勢(shì)將是交叉、融臺(tái)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(jìn)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
我們相信：不斷完善、充實(shí)的粉體技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境工程學(xué)科中來(lái)，必將推動(dòng)環(huán)境工程的發(fā)展；反過(guò)來(lái)又為粉體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也必將拓寬粉體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)被稱(chēng)之為2l世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對(duì)環(huán)境保護(hù)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(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
