功能材料是高分子材料研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中最活躍的領(lǐng)域之一,在材料科學(xué)中具有十分重要的地位。超細(xì)粉體不僅是一種功能材料，而且其為新的功能材料的復(fù)合更使之具有廣闊的應(yīng)用前景,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,起著極其重要的作用。

一、 超細(xì)粉體的性質(zhì)及應(yīng)用

1. 超細(xì)粉體表面特性

超細(xì)粉體科學(xué)與技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的科學(xué)技術(shù)，是材料科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。對(duì)于超細(xì)粉體統(tǒng)一定義，一般將粒徑大于1μm的粉體稱為微米粉體，粒徑處于0.1-1μm之間的粉體稱為亞微米粉體,粒徑小于100nm的粉體稱為納米粉體，也有人將粒徑小于3μm的粉體稱為超細(xì)粉體。超細(xì)粉體通常又分為微米粉體、亞微米粉體及納米粉體。超細(xì)粉體的粒徑與其特性的關(guān)系如下表所示。

2.超細(xì)粉體表面結(jié)構(gòu)

根據(jù)晶體的空間結(jié)構(gòu),可以分為四種類型緊密堆積結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)和鏈狀結(jié)構(gòu)。晶體受外力作用破壞時(shí)，將沿著晶體構(gòu)造中鍵合力最弱的地方斷裂。在斷裂面上均產(chǎn)生得不到補(bǔ)償?shù)臄噫I，即不飽和鍵。不同化學(xué)組成的超細(xì)粉體在新鮮表面具有極不相同的不飽和度。根據(jù)斷裂鍵能的性質(zhì)，表面不飽和鍵有強(qiáng)弱之分，斷裂面以離子鍵和共價(jià)鍵為主的是強(qiáng)不飽和鍵，表面為極性表面斷裂面以分子鍵為主的為弱不飽和鍵，表面為非極性表面。超細(xì)粉體不同，表面官能團(tuán)的種類和數(shù)量不同，同一超細(xì)粉體表面官能團(tuán)有一定的分布。

3、超細(xì)粉體的應(yīng)用

（1）超細(xì)粉體在塑膠領(lǐng)域中的應(yīng)用

超細(xì)粉體在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,在涂料、塑料、橡膠、造紙、催化、裂解、有機(jī)合成、化纖、油墨等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在塑料行業(yè),將超細(xì)粉體與塑料復(fù)合可起到增強(qiáng)增韌的作用,如將納米碳酸鈣表面改性后,對(duì)材料的缺口抗沖擊強(qiáng)度和雙缺口沖擊強(qiáng)度的增韌效果十分顯著,而且加工性能依然良好。

除此之外,超細(xì)粉體的加入,可以改善復(fù)合材料的耐老化性,防止塑料光輻射老化,提高塑料制品的使用壽命。同時(shí)超細(xì)粉體還可以使復(fù)合材料功能化,如抗靜電塑料、阻燃塑料、自清潔塑料等。

（2）在催化劑行業(yè)

作為催化劑使用,超細(xì)粉體主要根據(jù)其比表面積大、表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加,表面的活性中心多。超細(xì)粉體的表面效應(yīng)決定了它具有良好的催化活性和催化反應(yīng)選擇性。催化劑是超細(xì)粉體應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一,國(guó)際上已經(jīng)作為第四代催化劑進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā),采用納米級(jí)催化劑可以使化學(xué)反應(yīng)速度大幅度提高,完成化學(xué)反應(yīng)時(shí)間大大縮短,生產(chǎn)效率大大提高,每克燃料的燃燒熱可增加一倍。

（3）在涂料領(lǐng)域

超細(xì)粉體可用于制備納米改性涂料和納米結(jié)構(gòu)涂料。利用納米顆粒的某些功能對(duì)現(xiàn)有涂料進(jìn)行改性,提高涂料的性能,納米改性涂料就是采用特殊的工藝制備加入超微細(xì)納米材料的涂料,使得納米涂料具有了光學(xué)、力學(xué)及環(huán)保功能。如：納米陶瓷涂料、納米不粘涂料、自潔涂料、航空燒蝕涂料等。

（4）超細(xì)粉體在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

超細(xì)粉體在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在陶瓷材料、建筑材料、特種功能材料等方面的應(yīng)用。在陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域,由于超細(xì)粉體的高表面能,表面原子數(shù)多,活性強(qiáng)等性質(zhì),可以作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用,以加快燒結(jié)過(guò)程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。同時(shí)超細(xì)粉體可以顯著改善陶瓷材料的顯微組織,優(yōu)化其性能,在較低的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的,因此特別適合用于電子陶瓷的制備。

在特種功能材料應(yīng)用領(lǐng)域,超細(xì)粉體的表面性質(zhì)決定了它對(duì)外界環(huán)境,例如溫度、光、濕氣等十分敏感,外界環(huán)境的變化會(huì)迅速引起其表面或表面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?即引起其電阻的顯著變化,超細(xì)粉體的這種特有性能使之成為在傳感器方面最有應(yīng)用前途的材料,可研制出響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好的各種不同用途的傳感器。

(5)超細(xì)粉體在日用化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米技術(shù)在抗菌、除味、凈化空氣等方面具有廣闊的前景。納米二氧化鈦、納米氧化鋅的光催化性能和生物降解殺菌性能已在空氣凈化器、納米洗衣機(jī)、納米冰箱、納米牙刷、納米毛巾等產(chǎn)品中得到驗(yàn)證。在護(hù)膚、化妝品、服裝等方面,超細(xì)粉體的作用也十分重要。

例如在防曬膏中若采用納米二氧化鈦,則可以大大提高膏體的質(zhì)量、防曬護(hù)膚的效果。在牙膏、洗發(fā)液、洗潔精、去污粉中,也有大量使用各種粉體,若將這些粉體超細(xì)化后,其使用性能必然大大提高。

（6）超細(xì)粉體在醫(yī)藥和生物領(lǐng)域中的應(yīng)用

在醫(yī)藥和生物應(yīng)用領(lǐng)域,在藥劑學(xué)中控制釋放給藥系統(tǒng)是通過(guò)物理、化學(xué)等方法改變制劑的結(jié)構(gòu),使藥物在預(yù)定的時(shí)間內(nèi),自動(dòng)按某一速度從劑型中恒速釋放,作用于器官或特定靶組織,并使藥物濃度較長(zhǎng)時(shí)間維持在有效濃度內(nèi)的一類制劑。微粒或納米粒作為給藥系統(tǒng),其制備材料基本都是無(wú)毒,生物相容性好, 有一定機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性,與藥物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)當(dāng)微粒和納米粒通過(guò)非腸道給藥時(shí),要求材料具有生物降解性,微粒和納米粒系統(tǒng)被網(wǎng)狀上皮細(xì)胞豐富的肝、脾、肺等吸收,作為外來(lái)異物被巨噬,有些顆粒能被溶解酶體中的酶系攻擊,導(dǎo)致其裂解并釋放藥物,顆粒的粒徑直接影響其體內(nèi)分布。超細(xì)粉體還具有靶向性,可保護(hù)被包覆物質(zhì)避免破壞等優(yōu)越特性。將藥品加工為超細(xì)粉體可增加其在體內(nèi)的滯留時(shí)間,提高生物利用度。可見(jiàn),超細(xì)粉體技術(shù)在醫(yī)藥和生物領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)重要。

二、超細(xì)粉體填充改性機(jī)理分析

超細(xì)粉體填充改性塑料中正是由于界面區(qū)的存在,通過(guò)界面區(qū)將樹(shù)脂基體和填充材料結(jié)合成一個(gè)整體,并通過(guò)它傳遞外場(chǎng)作用。界面的存在也將復(fù)合材料分割成許多微區(qū),因此阻止了裂紋的擴(kuò)展、使材料破壞中斷、應(yīng)力集中的減緩等功能。目前界面工程科學(xué)工作者認(rèn)為界面作用機(jī)理主要有下面幾種理論。

1 、化學(xué)鍵理論

該理論認(rèn)為,一些填充改性塑料體系填充材料和樹(shù)脂基體間之所以形成強(qiáng)的結(jié)合,是因?yàn)橥ㄟ^(guò)化學(xué)鍵將兩者連接在一起。化學(xué)鍵的連接有幾種類型樹(shù)脂基體分子鏈上的官能團(tuán)與填料表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，填料材料表面用偶聯(lián)劑、超分散劑等處理,表面處理劑分子一部分帶有可與填充材料表面官能團(tuán)反應(yīng)的基團(tuán),另一部分含有可與樹(shù)脂基體大分子反應(yīng)的官能團(tuán),形成填充材料與樹(shù)脂基體之間的化學(xué)鍵連接界面區(qū)中的表面活性劑分子,其一端與填充材料表面的官能團(tuán)反應(yīng)形成化學(xué)鍵,另一端與樹(shù)脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但以某種形式形成強(qiáng)的結(jié)合,或者是相反的情況。

化學(xué)鍵理論廣泛解釋了表面處理劑的作用,對(duì)指導(dǎo)選擇表面處理劑、合成新的表面處劑,指導(dǎo)無(wú)機(jī)填充改性聚合物復(fù)合材料的制備起到?jīng)Q定性作用。

2、界面潤(rùn)濕理論

該理論認(rèn)為,填充材料與樹(shù)脂基體間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘附與潤(rùn)濕吸附。機(jī)械粘附模式是一種機(jī)械鉸合現(xiàn)象,即樹(shù)脂固化后,大分子進(jìn)入填充材料表面的凹陷、微孔洞中形成機(jī)械鉸鏈潤(rùn)濕吸附模型是物理吸附現(xiàn)象,是范德華力作用,兩種作用實(shí)際上往往同時(shí)存在。樹(shù)脂基體在填充材料表面良好的潤(rùn)濕是極其重要的,若潤(rùn)濕不良,受到外力的作用時(shí),在界面處產(chǎn)生脫鉆,界面區(qū)就成了應(yīng)力集中物,應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)合材料在低應(yīng)力下破壞。若能形成完全潤(rùn)濕,則由物理吸附產(chǎn)生的鉆附力能超過(guò)樹(shù)脂基體的內(nèi)聚能,就能產(chǎn)生好的復(fù)合效果。

3、減弱界面局部應(yīng)力作用理論

該理論認(rèn)為,處于樹(shù)脂基體和填充材料之間的處理劑,提供了一種具有“自愈能力”的化學(xué)鍵。這種化學(xué)鍵在外力的作用下,處于不斷斷裂和形成的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)头肿游?如水浸蝕復(fù)合材料時(shí),將使界面的化學(xué)鍵斷裂,同時(shí)在應(yīng)力作用下,處理劑能沿填充材料的表面滑移到新的位置后,已斷裂的鍵又能重新結(jié)合成新鍵,使樹(shù)脂基體與填充材料之間仍能保持一定的薪合強(qiáng)度。這個(gè)變化過(guò)程的同時(shí),也使應(yīng)力松弛,從而減弱了界面區(qū)中第一類微觀應(yīng)力集中,也可減緩復(fù)合材料的破壞。

4、變形層理論

該理論認(rèn)為,對(duì)填充材料進(jìn)行表面處理的處理劑在填充材料與樹(shù)脂基體間的界面形成了一層塑性層,當(dāng)受到外力作用時(shí),它能發(fā)生形變,松弛界面應(yīng)力作用,同時(shí)還能阻止裂紋擴(kuò)展,使復(fù)合材料免遭破壞。

5、抑制層理論

該理論認(rèn)為,對(duì)填充材料進(jìn)行表面處理的處理劑構(gòu)成了界面區(qū)的一部分,其彈性模量介于高彈性模量的填充材料和低彈性模量的樹(shù)脂基體之間,能起到均勻傳遞應(yīng)力,從而減弱界面應(yīng)力作用。摩擦理論該理論認(rèn)為,樹(shù)脂基體與填充材料間界面的形成粘接是由于摩擦作用,樹(shù)脂基體與填充材料間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。對(duì)填充材料進(jìn)行表面處理,其作用在于增加了樹(shù)脂基體與填充材料間的摩擦系數(shù),從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。