一文了解微/納米粉體常用的幾種表面包覆改性技術

發布時間 | 2024-11-05 10:08 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 1898

干燥納米材料

導讀：微納米粉體表面包覆技術通過在微納米粒子表面形成一層或多層包覆層，可以有效地改善粒子間的相互作用力，減少團聚現象的發生，同時還能賦予材料新的功能特性，如提高化學穩定性、增強機械強度、...

微納米顆粒由于高比表面積、高反應活性、量子尺寸效應等特性，具有許多常見塊體材料所沒有的物理化學特性，在眾多領域得到了廣泛的應用，不過也正因為微納米顆粒的小尺寸和大比表面積，極容易發生團聚現象，這不僅影響了材料的分散性和加工性能，甚至還可能反而降低最終產品的性能，加之，對于一些功能性微納米粉體而言，其表面性質往往決定了材料的最終用途。因此，對微納米顆粒的表面進行進一步的修飾、改性或包覆，對于拓展微納米材料的應用具有重要意義。

微納米粉體表面包覆技術通過在微納米粒子表面形成一層或多層包覆層，可以有效地改善粒子間的相互作用力，減少團聚現象的發生，同時還能賦予材料新的功能特性，如提高化學穩定性、增強機械強度、改善生物相容性等，是常用的改性手段之一。根據包覆材料的選擇，微納米表面包覆技術可分為有機包覆和無機包覆。

一、有機包覆

有機包覆是指利用有機化合物（如聚合物、表面活性劑、蛋白質等）對微納米粉體進行表面修飾，有機材料因其分子結構的多樣性，用于包覆改性能夠更容易地引入多種功能基團，實現多樣的功能化改性，同時由于包覆材料更容易獲得，通常成本也較低。

1、自組裝技術

自組裝是指顆?；诜枪矁r鍵（包括范得華力、氫鍵、靜電力等只能作用于分子水平的非共價鍵力和能作用于較大尺寸范圍的表面張力、毛細管力等）的相互作用下自發形成有序結構的一種技術，如采取表面活性劑等。這種方法不僅簡單高效，在實際操作中不需要過多特殊的操作設備，而且能夠利用特定組裝單元，控制組裝條件，精確調節包覆層的厚度和組成，同時與共價相互作用相比，非共價相互作用的動態可逆性賦予了所獲得的功能材料獨特的性質，如刺激響應性、形態可變性、自愈合性和可降解性，這些特性在諸如藥物遞送和釋放、生物技術、催化和能量轉換等應用中都起到非常重要的作用。

2、接枝聚合包覆法

接枝聚合包覆法是在微納米顆粒表面的活性點上預先接枝可參與聚合反應的基團（通常為小分子），然后加入單體和引發劑進行聚合包覆反應，使聚合后的有機高分子基體包覆微納米顆粒的表面上。

碳纖維與酸化碳納米纖維之間接枝反應的示意圖（Zheng等，2019）

該方法可通過選用特定的單體，設計不一樣特性的包覆層，并可改變反應時間或引發劑的接枝密度可以控制聚合物的厚度和接枝密度，因此這種方法也是一種比較可控的包覆技術。

3、微乳液聚合法

微乳液聚合法是利用單體、引發劑和助乳化劑（助穩定劑）在表面活性劑的作用下形成穩定的W/O(油包水)乳液，然后乳液液滴在機械攪拌、超聲波振蕩或高壓勻質機的作用下被細化成微小水核，最后通過微乳聚合對粉體進行包覆改性，其優點在于能夠得到相對均勻的包覆層。

二、無機包覆

無機包覆通常指的是使用無機材料（如金屬氧化物、金屬硫化物、硅酸鹽等）作為包覆層，覆蓋在微納米粉體的表面上。由于無機材料普遍性質較為穩定，且硬度較高，因此這種包覆方法能夠顯著提高粉體材料的熱穩定性、化學穩定性和機械強度。

1、氣相包覆技術

氣相包覆是指利用氣態反應物進行化學反應或者物理反應使其在納米顆粒表面沉積生成無機包覆層。目前用于包覆顆粒的氣相化學方法有多種，如化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（atomiclayerdeposition，ALD）等。

CVD法是將氣相前驅體引入反應腔室，在適當的溫度、壓力和存在催化劑條件下，這些氣體發生化學反應并快速沉積在顆粒表面上形成改性層。而ALD技術則是一種自限性氣相趁機技術，通過將氣相前驅體交替脈沖通入反應室并在顆粒表面逐層沉積形成包覆層，具有精度高、均勻性好、厚度可控和覆蓋性優異的優點，但沉積速率不及CVD技術。

ALD沉積原理

總體而言，無論是CVD法還是ALD法，這類氣相包覆技術都具有純度高、均勻性好、控制精確和無溶劑污染的優點，但由于設備昂貴，工藝復雜，在實際加工應用過程中對包覆設備的要求很高，不利于其廣泛進行推廣應用

2、固相包覆技術

固相包覆是在固相條件下進行的化學反應，與其他包覆工藝相比，這類包覆工藝主要采用機械設備以及混料設備、研磨設備對固相材料進行機械處理，從而實現顆粒的包覆，具有操作簡單、成本低和易于處理的優勢，因此被廣泛應用于工業生產中，但在實際操作中，顆粒的粒度分布及形貌往往難以達到預期，且同時面臨著適用范圍有限和能耗較高等問題。

固相包覆技術

3、液相包覆技術

液相包覆技術就是通過化學的方法，在濕環境中實現表面包覆，相比固相包覆，更易于形成核殼結構，目前常用的液相方法有溶膠凝膠法、沉淀法等。

（1）溶膠凝膠法

溶膠-凝膠法主要是通過殼層源物質的綜合化學反應以及醇解作用、水解作用等得到前驅物溶膠物質，這種溶膠物質還要經過事先處理的被包裹顆粒進行混合，然后溶膠轉化為凝膠，通過干燥最終獲取被包覆的粉體。利用該技術包覆改性，被包覆的復合型粒子不僅化學均勻性更好，而且能夠使粒子的抗氧化性以及燒結性能得到不斷的優化，所以此種技術工藝在實際的應用過程中能量損耗低、工藝設備相對簡單、化學反應的溫度較低，目前已被我國眾多的工業生產企業所使用。