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無機(jī)填料作為一種重要的功能性材料,被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,無機(jī)填料本身的表面特性往往限制了其在復(fù)合材料中的有效分散和應(yīng)用。為了提高無機(jī)填料的綜合性能,表面改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過對無機(jī)填料進(jìn)行表面改性,可以改善其與基體材料的相容性,從而提高復(fù)合材料的整體性能。
表面改性表征方法大體上可以分為直接法和間接法。
所謂直接法就是通過測定表面改性后填料的表面物理化學(xué)性質(zhì),如表面潤濕性、表面能、在極性/非極性介質(zhì)中的分散性、表面改性劑的包覆量、表面結(jié)構(gòu)、形貌和表面化學(xué)組成等來表征改性的效果。
間接法就是通過測定表面改性后填料在確定應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用性能。由于填料表面改性的目的性很強(qiáng),因此,間接法對于填料表面改性效果的評價非常重要。
(1)潤濕接觸角
接觸角是潤濕性的主要阿判據(jù),固體物料在水中的接觸角越大,疏水性越好。盡管測定接觸角的方法很多,如角度測量法、長度測量法、毛細(xì)管滲透速度法等,但是由于很難找到完全干凈的表面以及潤濕接觸角的滯后現(xiàn)象,難以準(zhǔn)確測定出接觸角。因此,在研究中可采用一些簡便方法來測定試樣的疏水性或潤濕性,如透水速度。
(2)活化指數(shù)
無機(jī)填料一般相對密度較大,而且表面呈極性狀態(tài),在水中自然沉降;而經(jīng)表面改性處理的無機(jī)填料,表面由極性變?yōu)榉菢O性,對水呈現(xiàn)較弱的非浸潤性。這種非浸潤性的細(xì)小顆粒,由于巨大的表面張力,在水中漂浮不沉。根據(jù)這一現(xiàn)象,提出“活化指數(shù)”的概念,用H表示,其含義用下式表示:H=樣品中漂浮部分的重量(g)/樣品總重量(g)。
H由0-1.0的變化過程,反映出填料粉體表面活化程度由小至大。表面改性劑的用量可參考“活化指數(shù)”來確定。所謂最佳用量,即表面改性劑在填料顆粒表面上,覆蓋單分子層的用量,大于此用量,將形成多層物理吸附的界面薄弱層,從而引起填充物的強(qiáng)度下降;低于此用量,則填料顆粒表面處理不完全,反映在活化指數(shù)的變化曲線上,如上圖所示。
(3)粒度分布與顆粒形貌
填料表面改性后粒度大小和分布的變化,能夠反映改性過程中粒子是否發(fā)生團(tuán)聚,特別是是否發(fā)生了硬團(tuán)聚,因?yàn)閳F(tuán)聚將會影響改性后填料的應(yīng)用性能。當(dāng)前測定填料粉體粒度及其分布的主要儀器有沉降式、激光粒度分析儀,庫爾特計數(shù)器及用于測定比表面積的透過法和BET法。
關(guān)于粒徑測量: 對于疏水性的改性劑,測量粒度分布時可使用乙醇為分散媒介。
需要說明的是,由于各種粒度測試儀器、方法的物理基礎(chǔ)不同,相同樣品測得的粒度的物理意義和粒度大小及其分布也不盡相同,因此在用粒度大小和分布來表征改性效果時,一定要采用相同的方法和儀器。
(4)吸附類型及包覆量
吸附類型可通過脂肪提取器(帶電動攪拌和回流冷凝裝置的三口燒瓶)或熱水洗滌來測定。在填料粉體顆粒表面化學(xué)吸附的表面改性劑分子比物理吸附牢固,在強(qiáng)烈攪拌或與其他組分混合時不易脫落,采用脂肪提取器時,在一定時間內(nèi),甲苯提取量越大,說明物理吸附越多,在吸附表面所占的比例越大。
包覆量是指一定質(zhì)量的填料粉體表面所吸附的表面改性劑的質(zhì)量,用%或者mg/g表示。另外,國內(nèi)外應(yīng)用漫反射紅外傅立葉轉(zhuǎn)換光譜法定量分析包覆無機(jī)粉體填料方面也取得了一些進(jìn)展。
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