CN1263808C - 一种微米颗粒表面纳米化改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种采用纳米颗粒对微米级颗粒进行表面改性的新方法。该方法结合微米颗粒的低成本和纳米颗粒的高性能，制得了纳米颗粒包覆微米颗粒的复合颗粒。即利用少量的纳米颗粒(低成本)来达到大量微米颗粒的表面纳米化。同时纳米颗粒又在微米颗粒表面均匀分散，从而使纳米颗粒的分散性问题得到一定程度的改善。微米颗粒可以是碳酸钙、硅灰石、滑石等，纳米颗粒可以是碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、白炭黑等。这种复合颗粒在造纸、橡胶、塑料、涂料等领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明是一种采用纳米颗粒对微米级颗粒进行表面改性的新方法。
背景技术
纳米颗粒的尺度一般定义为1-100nm。它的尺度大于原子团簇(cluster)，而小于通常的微粒(fine partical)。当小颗粒尺寸进入纳米量子级时，主要具有以下三个方面的效应：一、小尺寸效应。当颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏；二、表面与界面效应。纳米颗粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例，随着粒径减小，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加，大大增加了纳米粒子的活性：三、量子尺寸效应。材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒有密切的关系，即当粒子尺寸下降到一定值时费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级现象。纳米颗粒的这些效应导致其电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等性能明显不同于通常颗粒，从而使其具有广阔的应用前景。但是纳米颗粒的制备成本相当昂贵，这成为其应用中的一个瓶颈。另外纳米颗粒由于表面积巨大，表面能很高，很易团聚成二次颗粒，分散性难以得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单，材料性能良好的微米颗粒表面纳米化改性方法。
本发明提出的一种微米颗粒表面纳米化改性方法，其特征在于，所述方法依次按如下步骤进行：
(1)采用机械粉碎方法制得微米级颗粒，采用化学方法制得纳米颗粒，所述微米颗粒为碳酸钙、硅灰石、滑石颗粒，平均粒径为1～30μm，所述纳米颗粒为碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、白炭黑，平均粒径为10～80nm；
(2)将微米级颗粒溶于溶剂中，在机械搅拌力作用下配成一定浓度的悬浮液，并控制体系的温度至要求范围，所述搅拌速度控制在1000-3000rpm.，所述体系温度控制在0～80℃；
(3)将一定量的纳米颗粒加入溶液，同时加入一定量的改性添加剂，作用一定时间，所述添加剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、脂肪酸及其盐，所述添加剂添加量为0.1～3％，所述作用时间为10～180min；
(4)将溶液过滤、干燥、分散即得纳米颗粒包覆微米颗粒的复合颗粒。
本发明结合微米颗粒的低成本和纳米颗粒的高性能，采用新方法制得了纳米颗粒包覆微米颗粒的复合颗粒。即利用少量的纳米颗粒(低成本)来达到大量微米颗粒的表面纳米化。同时纳米颗粒又在微米颗粒表面均匀分散，从而使纳米颗粒的分散性问题得到一定程度的改善。
具体实施方式
本发明中纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒的制备过程，是在一定浓度的微米颗粒的悬浮液中，在机械搅拌力作用下，加入一定比例的纳米颗粒和改性添加剂。一定的温度下作用一定时间后，过滤、干燥、分散即可得到纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒。这种复合颗粒又可称为粉体无机包膜材料，即可有效地改善非金属矿粉体的表面缺陷，又可使得复合无机包覆材质优良性能得以充分发挥，所以这种复合材料是具有功能特性的新型粉体材料。随着现代新型高分子材料、功能复合材料以及无机非金属材料的发展，经过表面改性处理的无机非金属矿物填料的需求量将持续增长。据估计仅在塑料工业中经表面处理的无机填料的用量，今后将以每年约15％的速度递增。可见这种无机非金属包膜技术在发展功能性矿物填料方面前景广阔。
本发明中纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒的制备过程，其中可控制的参数主要有：①微米颗粒的浓度和粒径；②纳米颗粒的添加量和粒径：③机械搅拌力的大小，即搅拌速度的大小；④改性添加剂的种类和数量；⑤环境体系温度，作用时间。
本发明中纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒的制备过程，微米颗粒可以是碳酸钙、硅灰石、滑石等颗粒，纳米颗粒可以是碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、白炭黑等。微米颗粒的粒径为1～30μm，浓度要求主要是要易于形成稳定均匀的悬浮液，一般为10-40％。纳米颗粒的粒径可为10～80nm，添加量为1～5％。
本发明中纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒的制备过程，添加剂根据不同的颗粒组成而选取合适的种类和数量。种类有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、脂肪酸及其盐等，添加量为0.5～3％。
本发明中纳米颗粒一微米颗粒复合颗粒的制备过程，搅拌速度为1000～3000rpm，根据颗粒不同粒径而有变化。体系温度为0～80℃，作用时间为10～180min。
实例一：
采用2000g硅灰石颗粒，其平均粒径为5μm。将其溶于5000ml的水中，在搅拌速度为1500rpm的搅拌力作用下配成悬浮液，溶液温度控制在50℃。纳米颗粒为纳米碳酸钙，其平均粒径为50nm，添加量为3％。改性添加剂为硬脂酸和硅烷偶联剂，总量为1％。作用时间为60min，然后过滤、干燥、分散即可得到纳米碳酸钙一微米硅灰石复合颗粒。硅灰石的表面均匀地包覆着纳米碳酸钙，包覆率在85％以上。
实例二：
采用2000g碳酸钙颗粒，其平均粒径为15μm。将其溶于5000ml的水中，在搅拌速度为2000rpm的搅拌力作用下配成悬浮液，溶液温度控制在50℃。纳米颗粒为纳米碳酸钙，其平均粒径为50nm，添加量为2％。改性添加剂为硬脂酸和硅烷偶联剂，总量为0.5％。作用时间为60min，然后过滤、干燥、分散即可得到纳米碳酸钙一微米硅灰石复合颗粒。硅灰石的表面均匀地包覆着纳米碳酸钙，包覆率在80％以上。
Claims (1)
1.一种微米颗粒表面纳米化改性方法，其特征在于，所述方法依次按如下步骤进行：
(1)采用机械粉碎方法制得微米级颗粒，采用化学方法制得纳米颗粒，所述微米颗粒为碳酸钙或硅灰石或滑石颗粒，平均粒径为1～30μm，所述纳米颗粒为碳酸钙或二氧化硅或二氧化钛或白炭黑，平均粒径为10～80nm；
(2)将微米级颗粒溶于溶剂中，在机械搅拌力作用下配成一定浓度的悬浮液，并控制体系的温度至要求范围，所述搅拌速度控制在1000-3000rpm.，所述体系温度控制在0～80℃；
(3)将一定量的纳米颗粒加入溶液，同时加入一定量的改性添加剂，作用一定时间，所述添加剂为硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂和脂肪酸及其盐，所述添加剂添加量为0.1～3％，所述作用时间为10～180min；
(4)将溶液过滤、干燥、分散即得纳米颗粒包覆微米颗粒的复合颗粒。
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