粉體表面改性又稱表面修飾、表面處理等，是指采用一定的方法（物理、化學或者機械等）對粒子的表面進行處理、修飾及加工，有目的地改變粉體表面的物理、化學性質，以滿足粉體加工及應用的一門技術和學科。因此，了解粉體的物理和化學性質，對于有效地改變粉體表面的這些性質以實現(xiàn)高效粉體改性至關重要。

與粉體應用及表面改性有關的粉體表面及界面特性主要有：比表面積、表面能、表面潤濕性、表面吸附與反應特性、表面電性、表面化學組成等。

1、比表面積

粉體材料的比表面積與其粒度大小和粒度分布及孔隙率等有關。對于粉體材料而言，比表面與顆粒度相關，顆粒越細，比表面越大；與顆粒表面的粗糙度相關，表面越粗糙，比表面越大；與顆粒表面的孔關系極大，多孔粉體的比表面積急劇增大，微孔發(fā)達的粉體材料的比表面可以高達每克幾千平方米。

比表面積是粉體材料最重要的表面性質之一，也是確定表面改性劑用量的主要依據(jù)之一。表面改性劑的用量與粉體的比表面積有關，比表面積越大，達到同樣包覆率所需的表面改性劑的用量就越多。

圖1：顆粒的開孔與閉孔

比表面積包含了外表面以及所有與表面相通的孔的內表面積，理想的非孔性物料只具有外表面積，有孔和多孔物料具有外表面積和內表面。想要了解比較表面測試方法的可以點擊：粉體比表面積測試方法對比分析及應用領域。

2、表面能

粉體的表面能與其結構、原子之間的鍵型及結合力、表面原子數(shù)以及表面官能團等有關。物料經(jīng)粉碎后產生了新的表面，部分機械能轉變?yōu)樾律砻娴谋砻婺堋Ｒ话銇碚f，粉體的表面能越高，越傾向于團聚，吸水及粘附作用也就越強。除了本身的物質組成和結構性質之外，影響固體粉料表面能的因素還有很多，如空氣中的濕度、蒸氣壓、表面吸附水、表面吸附物及污染等。反氣相色譜技術是表征表面能的常用技術。

圖2：SMS的反氣相色譜表面能分析儀（IGC-SEA）

超細粉體，尤其是納米級粉體的粒徑很小，表面能高，很容易發(fā)生團聚，形成二次粒子，無法表現(xiàn)出其受人青睞的表面積效應、體積效應及量子尺寸效應等。對于用作高聚物基復合材料的無機非金屬填料來講，表面能越高，越難在有機基質（如樹脂）中均勻分散。降低無機填料的表面能，使其易于在高聚物基料中分散是對無機填料進行有機表面改性的主要目的之一。

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3、表面潤濕性

無機粉體表面的潤濕性或疏水性的大小是其用作塑料、橡膠、膠粘劑等高聚物基復合材料的填料及油性涂料填料或顏料的重要表面性質之一。為了增強無機填料或顏料與有機高聚物基料的相容性或親和性，無機填料或顏料表面應達到一定程度的疏水或親油性。有機表面改性可以增進無機填料或顏料在有機高聚物中的潤濕分散性，即提高其疏水性或親油性，從而增進其與高聚物基料的相容性。

粉體的潤濕性與粉體的種類、粒徑和形狀、生成條件組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性等性質有關。例如，球形顆粒的潤濕性要比形狀不規(guī)則表面粗糙的顆粒差，粉體越細，潤濕性越差，如石英的潤濕性雖好，但粉碎成粉末后潤濕性將大為下降。粉體的潤濕性隨壓力的增大而增大，隨溫度的升高而下降。粉體的潤濕性還與液體的表面張力及粉塵與液體之間的黏附力和接觸方式有關。

粉末潤濕性表征有很多種方法，其中最常見的當屬粉末接觸角測量。接觸角大小可以直觀的表征出粉末潤濕性，一般認為接觸角越大，粉末的疏水性越強，潤濕性越差；接觸角越小，粉末的親水性越強，潤濕性越好。但是，接觸角的概念來源于液滴在固體表面的鋪展模型，這種方法在測量粉末接觸角時，需要先將粉末制成壓片才能測量。而壓片的密度、壓實度、粗糙度等都可能對接觸角測試結果產生影響，這與粉末的實際狀態(tài)明顯不符因此，因此粉末的接觸角法存在可靠性差，誤差大，一致性重復性較低的問題。

圖3：液滴在固體表面的接觸角示意圖

除了接觸角法以外,目前還有一種更適合測量粉體表面潤濕性的方法,核磁共振弛豫法(簡稱弛豫法)。弛豫法是先把粉體制成漿料，再通過測量漿料的弛豫時間來表征粉體與溶劑的潤濕性好壞，可以適用于粉體與任意溶劑之間的潤濕性衡量。當粉體與溶劑的潤濕性好時，粉體表面會吸附大量的溶劑分子，這部分溶劑分子會被粉體所束縛，弛豫時間會變得很短；而那些沒被束縛的自由溶劑分子，它們的弛豫時間很長；束縛溶劑和自由溶劑的弛豫時間加權值就是儀器所測到的漿料弛豫時間，當這個弛豫時間越短時就表示粉體的潤濕性越好，當這個弛豫時間越大時就表示粉體的潤濕性越差。如下圖所示為弛豫法的基本模型。

圖4：漿料弛豫時間比束縛溶劑慢，比自由溶劑快

4、表面吸附特性

當氣相或液相中的分子（或原子）碰撞在粉體表面時，它們之間的相互作用使一些分子（原子、離子）停留在粉體表面，造成這些分子（或原子、離子）在粉體表面上的濃度比在氣相或液相中的濃度大，這種現(xiàn)象稱為吸附。通常稱粉體為吸附劑，被吸附的物質為吸附質，粉體的比表面積越大，吸附現(xiàn)象就越顯著。

粉體的表面改性及表面改性劑在粉體顆粒表面的吸附作用與粉體材料的表面吸附特性有很大的關系，測定吸附類型不僅可以了解表面改性劑分子與粉體顆粒之間作用的強弱，而且還有助于研究表面改性劑與無機顆粒之間的作用機理。

圖5：物理吸附及化學吸附的區(qū)別

粉體對液體或氣體的吸附，按其作用力的性質不同可分為兩種，一種是物理吸附，在吸附過程中物質不改變原來的性質，因此吸附能小，被吸附的物質很容易再脫離，如用活性炭吸附氣體，只要升高溫度，就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。另一種是化學吸附，在吸附過程中不僅有引力，還運用化學鍵的力，因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質需要較高的溫度，而且被吸附的物質即使被逐出，也已經(jīng)產生了化學變化，不再是原來的物質了，一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。

①物理吸附

物理吸附是被吸附的流體分子與固體表面分子間的作用力為分子間吸引力，即所謂的范德華力。因此，物理吸附又稱范德華吸附，它是一種可逆過程。物理吸附理論中的氣體吸附理論，主要有朗繆爾單分子層吸附理論、波拉尼吸附勢能理論、BET多層吸附理論、二維吸附膜理論和極化理論等，以前三種理論應用最廣。物理吸附在化學工業(yè)、石油加工工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、環(huán)境保護等部門和領域都有廣泛的應用，最常用的是從氣體和液體介質中回收有用物質或去除雜質，如氣體的分離、氣體或液體的干燥、油的脫色等。

②化學吸附

化學吸附與固體表面結構有關。表面結構化學吸附的研究中有許多新方法和新技術，例如場發(fā)射顯微鏡、場離子顯微鏡、低能電子衍射、紅外光譜、核磁共振、電子能譜化學分析、同位素交換法等。其中，場發(fā)射顯微鏡和場離子顯微鏡能直接觀察不同晶面上的吸附以及表面上個別原子的位置，故為各種表面的晶格缺陷、吸附性質及機理的研究提供了最直接的證據(jù)。

5、表面電性

粉體表面的電性是由粉體表面的荷電離子，如H+、0H-等決定的。粉體物料在溶液中的電性還與溶液的pH值及溶液中的離子類型有關。粉體表面的荷電性與其大小影響顆粒之間、顆粒與表面活性劑分子及其它化學物質之間的靜電作用力，因而影響顆粒之間的凝聚和分散特性以及表面改性劑在顆粒表面的吸附作用。

圖6：ZETA電位（Zeta potential）是指剪切面（Shear Plane）的電位，又叫電動電位或電動電勢（ζ-電位或ζ-電勢），是表征膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標

Zeta電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電位的絕對值（正或負）越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta電位（正或負）越低，越傾向于凝結或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結或凝聚。

目前測量Zeta 電位的方法主要有電泳法、電滲法、流動電位法以及超聲波法，其中以電泳法應用最廣。

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6、表面化學性質

粉體表面的化學性質與粉體物料的晶體結構、化學組成、表面吸附物等有關，它決定了粉體在一定條件下的吸附和化學反應活性以及表面電性和潤濕性等，因此，對其應用性能以及與表面改性劑分子的作用有重要影響。在溶液中粉體表面的化學性質還與溶液的pH值有關。

參考資料：

1、粉體表面改性（第三版），鄭水林、王彩麗編著，中國建材工業(yè)出版社。

2、粉體潤濕性的表征新方法---核磁弛豫法，北京拉莫爾，知乎。

3、普通高等教育十四五規(guī)劃教材 非金屬礦加工與應用（2022），王森，卜顯忠編

編輯：Alpha