粉体材料技术及应用分析
(上海汇精亚纳米新材料有限公司）
（安徽省凤阳汇精纳米新材料科技有限公司）
刘涛
粉体技术是一门以固体颗粒状物质为对象，研究其性质、制备、加工和应用的综合性技术，包括破碎、粉磨、均化、分级、干燥、混合、储存以及改性等工序，目前粉体技术已发展到超细粉体技术和纳米粉体技术，所谓超细粉体技术是指粒径小于10微米的粉体，达到超细或者纳米的粉体，其物理及化学性能都会发生极大的变化。所谓纳米粉体是指粒径小于100nm的粉体，其性能更为奇特，应用在不同的领域都能显著提升产品的性能、品质。
超细粉体、纳米粉体的应用：
一、无机超细粉体
无机粉体填充改性塑料：无机粉体填充改性塑料在我国已有三十多年的历史。最初主要以降低成本为目的。随着无机粉材料品种的增加、科学技术的进步、粉体粒径的超细化及新的表面活性处理剂不断出现，表面活性处理技术和填充改性理论的发展，无机粉体填充改性塑料正由原来单纯追求降低成本，已发展成开发新的功能性材料的重要手段。
从环境保护考虑，将无机粉体改性塑料作为环境友好材料，希望无机粉体填充量越多越好。但无机粉体填充量过多会使材料的功能性、力学性能和使用性能下降，如何解决好这一矛盾问题既关系到这种环境友好材料更关系到无机粉体填充改性塑料今后能否持续健康发展的大问题。众所周知，无机粉体填充塑料，除少数粉状树脂如PVC是将无机粉体直接与树脂混合使用外，绝大多数是通过填充母粒的方式或者进行工程塑料改性的方式添加。本文想就这个问题做出如下分析：
1、无机粉体的选择
可用于塑料填充改性的无机粉体种类很多，常见的有：重钙、轻钙、滑石粉、煅烧高岭土、硅灰石粉、云母粉、氢氧化铝和氢氧化镁粉等，功能性新型材料有：纳米活性碳酸钙、空心微珠、晶须硅、复合陶瓷微珠等。品种不同，功能也不同。与含卤有机阻燃剂配合使用，具有协同作用，可以提高制品的阻燃效果；云母粉呈片状晶形。径厚比大，除具有补强作用外，还可提高塑料的刚性、耐热性和尺寸稳定性，云母粉的透光率比其它任何无机粉体都好，并有阻隔红外线功能，被广泛用于大棚膜中。如果从减量化、资源化、有利于环保和降低成本考虑，在众多无机粉体中当属于重质碳酸钙，其白度高、资源丰富、易加工、价格低；其次是轻质碳酸钙。这两种碳酸钙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缩变形率、改善加工性能、消除浮纤外露，保持产品尺寸稳定性，提高热变形温度；晶须硅主要是起到显著的增强增硬效果。作为填充改性塑料用无机粉体在质量要求上除纯度外，很重要的一项技术指标是粒径和粒径分布。粒径大小，工业习惯用目数表示。从理论上来说无机粉体的粒径越小，填充到树脂中制得材料的力学性越好，但实际情况并非如此。粉体的粒径越小，比表面积越大，粒子的内聚能越高，越容易团聚，填充到塑料中不易分散，相反会使材料的力学性能下降，因此，如何提高分散性，从而充分发挥超细材料的性能特点是市场必然要求。
2、粉体表面活化处理剂与处理技术
无机粉体粒子为极性，而树脂为非极性，二者难以相容。要想使无机粒子均匀地分布到树脂中，并能与树脂的分子链产生较强的亲合力，必须对无机粒子表面进行活性处理。目前所用活性剂有表面活性剂，如：硬脂酸偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、酸式亚磷酸酯偶联剂、稀土偶联剂和铝／钛复合偶联剂等；高分子处理剂如：聚烯烃马来酸酐接枝共聚物等。
该技术的特点是：在使无机粉体与树脂之间形成较强结合力的同时，由于所用的二次包膜活化剂的结构特征，可以在无机粒子表面形成一层弹性膜，当复合材料受到外力冲击时，由于弹性膜的缓冲作用，可使应力得以分散。所以采用该技术处理无机粉体所制得的复合材料具有显著的补强增韧功能。因此，对粉体材料进行表面活性处理是粉体应用发展的必然趋势。上海汇精亚纳米新材料有限公司分公司是国内专业进行粉体材料表面活性处理的企业。
无机粉体填充改性塑料在我国塑料工业的发展中发挥了十分重要的作用，尤其对石油资源贫乏的我国来说，今后将会发挥更大作用。正由于如此，业内人士和社会各阶层也就更要正确对待和评价无机粉体填充改性塑料。无机粉体毕竟不是高分子材料，与树脂相比是资源丰富的廉价原料，对填充改性塑料不能以纯塑料的标准去要求它，尽管在某些性能方面它可能比纯塑料好，但必须以牺牲其它性能为代价。降低成本，节约石油资源有利于环境保护是无机粉体填充改性塑料的最大优势，只有正确认识这一点，才能使无机粉体填充改性塑料沿着正确方向健康快速发展。
二、纳米粉体
纳米粉体是具有奇特和优良的功能性材料。在目前世界上应用已从军事领域向民用领域发展；在军事、能源、化工化学、敏感材料、光电、食品卫生、环保和生物医药等领域应用具有十分广扩的前景；在人们的日用生活制品领域，可涉及衣、食、住、行等各方面；可显著改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。同时，纳米粉体在水和空气污染的治理上也能有广泛的应用，这点对我国环境治理工作有着重大意义。纳米材料是当今新材料研究领域中最附有活力、对未来经济发展和社会发展有着重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃最先得到应用的重要组成部分。纳米材料制品作为一种高科技产品，其优良的性能，在国民经济的各个领域都有广泛应用，具有广阔的应用前景。随着技术和社会的不断进步，代表21世纪先进科技的纳米技术和产业必将得到长足进展。
随着工业社会的发展和人口的增加，人类本已有限的水资源受到日益严重的污染，水污染为当今社会的严重问题。而近年来逐渐发展起来的光催化氧化技术为治理水源的有机物污染提供了一条新的途径。纳米Ti02是目前应用最为广泛的一种光催化剂，具有着以下优点：对光的吸收率较高；化学稳定性良好；氧化还原能力强，有较高的光催化活性；对很多有机污染物有较强的催化降解作用，是目前用于光催化的主要材料，广泛应用于空气净化、水处理、抗菌纺织、纳米涂料、纳米塑料、防晒化妆品等领域。
纳米Ti02是目前应用最为广泛的一种纳米材料，其具有的不透明性、紫外线吸收性以及熔点低、磁性强、热导性能等特征，使其在空气净化、纺织、化妆品、塑料、涂料、精细陶瓷及催化剂等众多领域都有重要的应用。光催化氧化的机理主要是自由基反应，而体系产生的活性中间体H202则是形成自由基的重要引发剂。在紫外光结合氧化剂对有机污染物进行氧化降解的过程中，在多数情况下主要是利用了羟基自由基的产生及其一系列的反应。在超微细Ti02、水和空气的体系中，把分散在溶液中的每一颗Ti02半导体微粒近似地看成是一个小型的短路的光电化学电池，当用能量大于能带隙的光，尤其是紫外线的光照射时，Ti02超微粒子吸收光而自行分解出自由移动的带负电的电子(e．)和带正电的空穴(h+)，形成电子一空穴对，吸附溶解在Ti02表面的氧俘获电子形成·02，而空穴则将吸附在Ti02表面的OH_和H20氧化成·OH。新生成的这两种自由基具有很强的化学活性，特别是原子氧能与多数有机物发生氧化反应，因而能有效分解水中多种有机物质，使水中的有机污染物彻底氧化降解为C02和H20：同时还可以氧化细菌内的有机物，从而杀死细菌；还能氧化有毒的无机物，使之在短时期内失去毒性。
研究发现，纳米Ti02光催化剂催化活性的高低取决于纳米粒子的粒径和晶型。纳米Ti02主要有2种晶型：金红石和锐钛矿三种晶型。研究表明金红石型Ti02仅有微弱的光催化活性，锐钛矿型Ti02的光催化活性最强。然而，粉末状纳米Ti02催化剂在使用过程中存在着易失活、易凝聚和难回收等弱点，人们尝试将Ti02粉末固定在某一载体上，制备了负载型的Ti02光催化剂。目前，光催化剂载体主要有两大类：无机载体和有机载体。无机载体主要是以含硅物质为基质，具有极好的耐热性能和化学稳定性，在烧结过程中基质与催化剂颗粒间会产生较强的粘结力。在有机材料上固载Ti02存在着一定的困难，因为大多数有机质本身不耐光催化剂的强氧化反应。至今，已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下被Ti02降解。特别是当水中有机污染物用其他方法很难降解时，这种技术有着明显的优势。上海汇精亚纳米新材料有限公司利用自身优势，研发生产的复合纳米光触媒空心陶瓷微珠及光催化蜂窝陶瓷，就是利用纳米二氧化钛的光催化特性，应用于污水处理、空气净化等领域，取得显著的实效。
1、处理受染料工业污染的源水：受染料业污染的水中含有苯环、胺基、偶氮基等致癌
物质，常规方法处理水溶性染料的降解效率通常很低。研究发现，用Ti02／Sich体素能够很迅速地降解R．6G染料，而且可以破坏染料分子中的芳香基团，达到完全降解的目的。另有报道称，对于电镀、制革和印染行业废水中的常见污染组分Cr(VI)，采用P25 Ti02作为光催化剂，在苯酚、葡萄糖等有机物存在的情况下，能有效地促进其光催化还原，达到C“VD完全被去除的效果。为便于工业应用，把表面涂覆有纳米Ti02膜的玻璃填料充于玻璃反应器内，通过潜水泵使微污染水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米Ti02具有巨大的比表面积，与水中有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，迅速将有机物分解为C02和H20，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，COD除去率和脱色率均较高。催化剂再生后能连续使用对二氧化钛对三苯基甲烷等染料的光催化降解研究发现除二氧化钛的晶型外，pH值、催化剂浓度及有无氧化剂的存在等因素对降解速率都有一定的影响的研究表明，有Ti02涂层的碳粉对亚甲兰在紫外光下有较高的光催化降解活性，而表面有碳涂层的Ti02 则是很好的重油吸附剂，碳涂层吸附的重油在紫外光作用下被Ti02光催化降解，碳涂层本身也有催化降解作用，而且它能够使Ti02在高温下保持高活性的锐钛矿晶型H81。方世杰、徐明霞和黄卫友等制备了10I吼左右的Ti02颗粒并把它制备为玻璃衬底薄膜进行紫外光光催化降解甲基橙的研究，发现催化剂用量、甲基橙初始量、pH值、光强度等对甲基橙脱色率都有影响。
2、处理受农药污染的源水：目前对有机磷农药污染水处理多用生化法，处理后废水中
有机磷质量浓度仍较高。
3、处理含氯代有机物的源水：日本东京大学野口真用纳米Ti02光催化剂与臭氧联合进行水的净化处理。在模拟水处理实验中，以质量浓度为16m∥L的三氯酚的水溶液，分别采用纳米Ti02光催化剂与臭氧联合，单独用光催化剂纳米Ti02和单独用三种方法对其进行处理。纳米Ti02光催化剂与臭氧联合处理2h后，三氯酚的残留质量浓度已为零，效果相当明显。用内表面涂覆纳米Ti02光催化剂的陶瓷圆管处理质量浓度为5．5m∥L苯酚和三氯乙烯水溶液的实验表明，苯酚在1．5h后完全分解，三氯乙烯也在2h内完全分解。
4、处理含表面活性剂的源水：生活污水中含有表面活性剂，易产生异味和泡沫。非离子型和阳离子型表面活性剂会产生有毒或者不溶解的中间体。采用纳米Ti02光催化分解表面活性剂已取得较好效果。虽然表面活性剂中的链烷烃部分采用光催化降解反应还较难完全氧化成C02，但由于苯环被破坏，其毒性大为降低，生成长链烷烃副产物对环境的危害明显减小。
5、处理受污染的地下水源：工农业排放废水渗入地下水中的有机物含量增加，这些有机物易与水处理过程中的氯反应生成致癌性的三卤化物(THM)。据报道，Ti02膜能脱除水中97％的有机卤素化合物，总有机碳(TOC)含量可降低90％以上，并能减少盐分、硬度、重金
属和其他污染物，降低颜色深度，脱除大量的可溶性有机物质，减少形成THM的前体物。
6、处理含油污染的源水：对于不溶于且漂浮于水面上的油类污染物的处理，也是近年
来人们很关注的一个课题。含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等有机物很难降解，使用纳米Ti02利用其光催化解功能，可迅速降解这些有机物。但由于Ti02的密度远大于水，Ti02颗粒将沉于水底，起不到光催化剂作用，并难以回收。上海汇精亚纳米新材料有限公司研究开发的可以漂浮在水面上的纳米复合空心陶瓷微珠彻底解决了这个问题。由此可见二氧化钛粉体在环保中的应用相当广泛且起着重要的作用。
我国粉体工业发展的现状非金属矿物精细粉体和功能性非金属矿物材料是伴随现代科技革命、产业发展、社会进步、人类生活质量的提高和环保意识的普遍觉悟而发展起来的。经过近些年的发展，我国非金属矿加工业已形成相当大的规模。在普通或大众产品方面不仅能基本满足国内市场所需，而且还能大量出口，在国际非金属矿产品粉体市场占有较重要的地位。非金属矿物粉体加工技术的发展及在现代高技术新材料中的广泛应用是以其特有的功能为前提的。因此功能化是非金属矿物粉体的发展方向和粉体加工技术追求的目标。
自改革开放以来，我国的非金属工业虽然取得了很大发展，加工技术也有了很大进步，但仍然面临很多挑战。我国非金属矿深加工产业虽然有了较大的发展，但有些所谓的深加工产品却找不到市场，企业经营很困难，我们每年向国外出口大量的非金属矿产品，有些矿种的出口量居世界第一，但国内相关企业却还须进口深加工产品，有些深加工产品甚至是用我国出口的原料或初加工产品加工后回销的。除了我国企业经济实力、市场营销以及技术开发能力不强等之外，其中一个很重要的原因是我国非金属矿行业往往较多注意资源的开发而忽视产品功能的开发和提升。我们一些企业在开发资源和上项目时，往往不注意认真研究市场、如何从产品功能上满足市场要求、适应相关产业发展的需要，如何通过应用研究挖掘和提升产品的功能和应用性能，如何在加工过程中注意保护生态环境。现代高技术和新材料的发展是对更高的科技含量、较低的环境负荷和更适应社会发展的需要为前提的，非金属矿物粉体和材料也不例外。只有功能明确或突出，能满足相关应用领域技术进步和产业发展要求和环保要求的非金属矿物粉体或深加工产品才可能赢得稳定的市场。因此，未来非金属矿物粉体材料的发展趋势将是交叉、融台矿物学、粉体加工、材料学以及相关应用领域不同学科，合作研究、不断发掘和提升非金属矿物粉体产品的功能和应用性能，促进相关应用领域的技术进步和产业发展。
我们相信：不断完善、充实的粉体技术应用到环境工程学科中来，必将推动环境工程的发展；反过来又为粉体技术的发展应用奠定坚实的基础，也必将拓宽粉体技术的应用领域。同时被称之为2l世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。
