激光表面改性

激光表面改性（精选八篇）

激光表面改性 篇1

关键词：激光,表面改性,液压油缸,相变硬化

1 引言

液压油缸在工程机械、矿山机械、军工机械等应用非常普遍,在工作过程中往往要承受交变载荷,且其缸体和活塞杆存在往复运动,因此加工都需要进行表面处理(如滚压、表面淬火)来提高其强度、耐磨性。但这些表面处理方法往往存在应力集中,容易产生疲劳破坏,处理成本高,需转运,工期长。近年来,激光束、电子束、离子束等高能束表面改性处理技术得到了大量的应用。激光表面改性是通过运用物理、化学方法,来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等,使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能,从而达到特定使用要求的一项应用技术,是用高能量密度的激光束快速照射在工件加工表面,在工件表面极薄一层的小区域内吸收光能转变成热能,使照射斑点的局部区域温度急剧升高到相变温度,而工件基体仍处于冷态,由于热传导的作用,表面热量迅速传到工件其他部位,表面温度瞬间冷却达到快速自冷淬火,实现工件表面的相变硬化。相变硬化后工件表面的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性都得到很大改善,大大提高了产品的使用寿命,其高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染的特点,适合制造业可持续发展的需要;激光表面改性在促进高技术进步、节约原材料、提高新产品性能等方面发挥了越来越突出的作用,该技术是1970年代中期发展起来的一项高新技术,具有广阔的应用前景[1]。激光表面改性处理比传统的滚压、表面淬火等表面处理方法,有着非常独特的优点,逐渐在美国、欧洲、日本等国家和地区形成了一个新兴的高新技术产业,获得了很好的发展和经济效益[2]。

2 激光表面强化处理原理及特点

激光是高强度受激辐射的高密度的光,具有不同于普通光的基本特性[3]:(1)强度高、亮度大;(2)单色性好,波长和频率确定;(3)方向性好,光束可聚集到0.001mm;(4)相干性好,相干长度长;(5)能量密集等。激光通过光学系统将激光聚焦成很小的光斑(0.1mm以下),获得极高的106~108W/mm2能量密度以及10000℃以上的高温,从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使材料温度升高至相变温度,并快速自冷淬火,通过激光束与工件间的相对运动来完成对工件的加工。激光加工的特点[4]:(1)激光加工是非接触加工,加工速度快,热影响区小,没有明显的机械力,可加工易变形的薄板及弹性零件等;(2)由于激光的能量密度高,几乎能加工所有的材料,如各种金属材料,以及陶瓷、石英、玻璃、金刚石及半导体等;(3)由于激光斑点的直径可达1μm以下,能进行非常微细的加工,如加工深而小的微孔和窄缝(直径可小至几微米,深度与直径之比可达50~100以上);(4)不需要加工工具,所以不存在工具损耗问题,适宜自动化生产系统;(5)通用性好,同一台激光加工装置,可作多种加工用,如打孔、切割、焊接、表面处理等都可以在同一台机床上进行。

激光表面改性是目前应用最成功的表面改性技术,它是以高能量的激光束快速扫描工件表面,在扫描表面极薄一层的小区域内极快吸收能量而使温度急剧上升,升温速度可达105~106℃/s,而工件基体仍处于冷态,由于热传导的作用,表面热量迅速传到工件其他部位,表面温度瞬间降低,其冷却速度可达104℃/s,达到快速自冷淬火,实现工件表面的相变硬化,这个过程是在千分之几秒的短时间内完成,加热速度快,效率高,成本低。激光淬火比常规淬火的表面硬度高15%~20%以上,耐磨性提高1~10倍,可显著提高工件表面的耐磨性,而变形量却小到几乎可以忽略不计。由于是自冷淬火,不需油、水等冷却介质,对环境无污染。通常,表面硬化层的深度为0.3~0.6mm左右,当采用大功率激光器时可达3mm的深度。

3 缸体、活塞杆的激光表面处理方法

激光器是激光加工的主要设备,它把电能转变成光能,通过光学系统将光束聚焦并观察和调整焦点位置,产生所需要的激光束。激光加工目前广泛采用的是二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器,通过比较,YAG激光波长比CO2激光小,性能好,加工范围大,并且结构比CO2激光器简单[5],故液压油缸缸体和活塞杆表面处理选用YAG激光器。

经过激光表面处理后工件表面的硬度随着激光功率增大,照射时间延长而提高,而随着光斑直径增大,工件表面硬度降低,其关系描述如下:

其中,H-相变硬度,HRC;P-激光器功率,W;d-光斑直径,mm;T-照射时间,s;K-硬化系数。

对液压油缸缸体和活塞杆进行激光表面处理的激光器功率为2kW,因光斑直径太小会影响加工效率,故选3mm左右,并依据加工时缸体或活塞杆的转速来确定照射时间,扫描时采用微机控制缓慢进行,缸体或活塞杆在夹具带动下用计算机控制作圆周回转,激光光斑相对于工件的运动轨迹为螺旋线,但由于金属光滑表面对激光有反射作用,为增大材料对激光的吸收,最好作表面色化或打毛处理。液压油缸缸体和活塞杆材料一般为45钢,活塞杆表面处理比较简单,而缸体加工是对内孔表面加工,加工原理如图1所示。

经激光加热相变,自冷却后,完成表面处理。表面处理后缸体或活塞杆表面的硬化层分3个区:第一区为表层完全淬硬区,最外层为针状马氏体+残留奥氏体,次外层为针状马氏体+板条状马氏体+残留奥氏体;第二区为过渡层,由马氏体+回火奥氏体组成;第三区由回火索氏体组成,激光表面处理后比常规淬火的表面硬度高15%~20%以上,耐磨性提高1~10倍,可显著提高工件表面的耐磨性,机体材料的韧性也有很大改善,使其抗冲击韧性、抗疲劳强度都有所提高。

4 结论

液压油缸在工作过程中,活塞杆和缸体的相对往复运动会产生机械磨损,液压油对缸体或活塞杆的腐蚀和气蚀作用,再加上工作时承受的交变载荷作用,容易产生疲劳破坏,甚至可能造成严重的事故。经激光表面处理后的液压油缸缸体和活塞杆,表面硬化层的深度为0.3~0.6mm左右,当采用大功率激光器时可达3mm的深度,满足液压油缸的工作需求,加上热应力小,热变形量可忽略不计,油缸的耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗疲劳强度得到很大提高,但激光处理重复精度和表面粗糙度不易保证,必须进行反复试验,寻找合理参数,才能达到一定的加工要求。经试验证明,缸体及活塞杆的耐磨性可提高5~10倍,油缸使用寿命提高1~2倍。而激光表面处理费用只有高频淬火或渗碳淬火的1/5,生产周期大幅度缩短,具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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[2]GORSSE S,MIRACLE D B.Mechanical Properties of Ti26Al24v/TiB Composites with Randomly Oriented and Aligned TiBReinforcements[J].Acta Materialia,2003,51(1):2427-2442.

[3]王先逵.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]张辽远.现代加工技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

表面改性技术综述 篇2

表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后，既能发挥材料基体 的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收等。

金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外,近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。

传统的表面改性技术有：表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。

1、喷丸强化

喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制

成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011～018mm 厚)的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸)和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。

早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属;涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。

2、传统表面热处理改性

传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等)是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。表面淬火 ○表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2-6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能;淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。

2化学热处理 ○化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入零件表面, 从而改变零件表层成分、组织和性能的热处理方法。与其他热处理相比, 化学热处理不仅改变了金属的组织, 还改变了表面层的化学成分。根据渗入元素的不同, 可将化学热处理分为三类(如表1 所示)。其中, 应用最广泛的是非金属和金属元素渗入的化学热处理。

渗碳是向材料表面渗入碳原子的过程。钢件渗碳后经淬火, 回火处理, 可提高零件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度, 而心部具有高的韧性。渗碳主要用作齿轮、活塞销等零件。渗氮是向材料表面渗入氮原子的过程。钢件渗氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性

及疲劳强度。零件经渗氮后不再需进行其它热处理。渗氮层具有比渗碳层更高的硬度、耐磨性和耐蚀性。由于渗氮温度低, 所以处理前后零件的变形小。通常, 将零件表面渗入铬、铝等金属元素的方法, 也称为表面合金化。同渗碳相比, 渗金属一般需要更高的温度和更长的保温时间, 渗层厚度也远比渗碳层薄得多。因为渗入金属原子在钢中进行的是置换扩散, 需要更大的激活能。化学热处理原则上可应用于一切金属材料, 而化学介质又无限多样, 它在改善材料性能方面存在巨大的可能性。目前, 主要将化学热处理用来改善钢铁零件的表面性能, 如钢表面的渗碳、渗氮及碳氮共渗、渗铬、渗铝等。而在有色金属材料中, 化学热处理应用较少。

3、高能束热处理表面改性 随着激光束、电子束、离子束等先进的材料表面加热和冷却手段的广泛应用, 激光处理、离子注入等强化金属材料表面层的新技术不断涌现, 从而诞生了激光表面淬火、离子注入强化等先进高能束表面改性技术。

高能束热处理的热源通常是指激光、电子束、离子束、太阳能和同步辐射等。它们共同的特征是: 作用在材料表面上的功率密度高(≥103W/cm2), 为非接触式加热, 加热、冷却速度快, 热作用区小, 可根据需要选择。其定向作用在金属表面, 使材料表层产生物理、化学或相结构变化, 从而达到金属表面改性的目的。近10 年来, 高能束热处理技术在工业中的应用发展迅速, 特别是激光束热处理技术, 在汽车、冶金、纺织、机械、电子等工业中获得了很多成功例证。激光表面改性 ○金属材料的激光表面改性技术是70 年代中期发展起来的一项高新技术。激光具有高辐射亮度、高方向性和高单色性三大特点, 可实现材料表面的快速加热和冷却。其热影响区的范围很窄, 几乎不影响周围基体的组织。若将激光束作用在金属表面上, 控制合适的工艺参数, 可显著改善其表面性能, 如提高金属表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能。

目前激光热处理在金属材料中得到了大量应用。除表面淬火外, 已经应用或正在开发的还有激光表面非晶化、涂覆、合金化和脉冲硬化等等。近年来, 把其它金属表面涂层技术和激光相结合进行的表面改性, 也获得了成功。激光表面淬火是目前应用最成功的激光表面热处理技术。它是利用高功率密度激光束(功率密度103～105W/ cm2)扫描金属材料表面, 材料表面吸收光束能量而迅速升温到相变点以上, 然后移开激光束, 热量从材料表面向内部传导发散而迅速冷却(冷却速度可达到104 ℃/ s), 从而实现快速自冷的淬火方式。激光表面淬火硬化层较浅, 通常为013 ～016mm。采用4～5kW 的大功率激光器, 能使硬化层的深度达3mm。由于激光加热速度特别快, 工件表层的相变是在很大过冷度下进行的, 因而得到不均匀的奥氏体细晶粒, 冷却后转变成隐晶或细针马氏体。激光淬火比常规淬火的表面硬度高15 %～20 %以上, 可显著提高钢的耐磨性。另外, 表面淬硬层造成较大的压力, 有助于其疲劳强度的提高。由于激光聚焦深度大, 在离焦点75mm 范围内的能量密度基本相同, 所以激光淬火处理对工件尺寸及表面平整度没有严格的要求, 能对形状复杂件(例如有拐角、沟槽、盲孔的零件)进行处理;激光淬火变形非常小, 甚至难以检查出来, 处理后的零件可直接送装配线;另外, 激光加热速度极快，表面无须保护;同时工艺操作简单, 也便于实现自动化。由于具有以上一系列优点, 激光表面淬火发展十分迅速, 其在机械制造生产中的应用将不断拓展。

2电子束表面改性 ○电子束改性技术是近30 年发展起来的局部表面改性技术。电子束也是一种高能密度的热源, 当它作用于金属表面时, 可根据工件改性的要求, 调整电子束束斑直径、功率密度、脉冲时间、作用形式等参数, 使其组织、性能按照人们需要的方向改变。

电子束表面改性可分为: 电子束表面淬火、表面晶粒细化改性、表面合金化改性、表面涂覆和非晶化改性等。早期, 电子束技术主要用于薄钢带、细钢丝的电子束退火改性和冲击淬火等。目前美国已经有比较完善的电子束加热退火炉, 用于处理钛、铌、铝、钽及核反应堆的金属材料。世界工业发达国家都先后开展了电子束改性的应用工作。如美国的Sciaky 公司在电子束焊接设备的基础上, 专门开发了用于电子束表面改性的设备。我国电子束表面改性实验始于1979 年, 但比激光表面改性技术的发展要缓慢得多, 其原因在于电子束改性设备、工艺的工业应用尚需系统化。

电子束表面改性特别适用于处理易氧化的金属、贵金属以及半导体材料, 因为它需要在真空条件下进行, 污染小, 材料不易氧化。可任意选择淬火部位进行加热, 其能量密度高达105W/ cm2 , 热影响区极小;由于作用时间短, 材料变形小, 可实现高精度、高速度、无惯性控制。主要缺点在于:真空条件下处理, 不利于大型件和流水线操作, 灵活性和适应性差, 生产效率低;易产生放射线, 有害健康, 需加防护措施。

3离子注入表面改性 ○采用离子注入技术作为金属表面强化的研究始于70 年代初, 并已取得了可喜的成就。离子注入是根据被处理材料表面所需要的性能, 选择适当种类的原子, 使其在真空电场中离子化, 并在高压下加速注入到材料表层。

离子注入将引起材料表层成分和结构发生变化, 以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动,因此导致材料的各种物理、化学或力学性能的变化。

等离子体表面改性技术 篇3

以聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP) 为主的聚烯烃为例, 目前世界上年产量高达7600余万吨, 占合成树脂及塑料总产量的47%, 居世界合成树脂产量的首位, 已成为世界上最重要、应用最广泛的合成高分子材料。但因其极性小、表面能低, 是一类难粘材料, 在印刷、涂复、粘合、复合等方面均有界面粘合性差的问题, 并难于用常规化学方法改性。利用高效、简便、气氛可调、低成本和环境友好的大气压放电等离子体技术, 在可控处理条件下, 在聚烯烃分子链上引入极性基团或功能性基团, 从而改善与金属、非金属材料和填料的相容性, 是大品种聚烯烃改性的简便、高效、增容的新途径。

聚甲醛 (POM) 是以[-CH2-O-]为主链, 无支化、高熔点、高密度、高结晶热塑性的工程塑料, 具有很高的强度和刚度、表面坚硬、尺寸稳定性好、优秀的耐蠕变性、耐疲劳性、固有润滑性、耐磨损性和耐化学药品性等, 是工程塑料中最接近金属的品种, 可用以代替铜、铝、锌等有色金属及合金制品。其产量位居五大工程塑料中的第三位, 仅次于聚酰胺 (PA) 和聚碳酸酯 (PC) 。POM填充、共混是改善其性能, 实现材料高性能化、功能化的重要手段, 但POM分子链规整无极性, 分子链上没有可反应的基团, 且处于较高的结晶化状态, 同其它物质间相容性较差, 采用一般的方法在其大分子上接枝反应性官能团易引起树脂的过度分解, 因此POM是最难实现合金化的树脂。采用常压低温等离子体技术对POM进行表面改性, 通过在其分子链上引入极性基团或功能性基团, 改善POM同各种添加剂及其它聚合物的界面相容性、分散性, 大幅度提高界面粘合强度和力学强度, 从而提高材料的整体性能, 实现高性能化和功能化。等离子体是一种含有离子、电子、自由基、激发的分子和原子的电离气体, 常用于高分子合成、界面反应的是低温等离子体, 其气态离子、分子温度和环境温度相同, 约102K, 电子温度较高, 约104-105K。当等离子体撞击材料表面时, 其中的电子、离子、原子、分子将自身能量传递给材料表层分子, 与材料表面相互作用, 产生表面反应, 使表面发生物理化学变化而实现表面改性。相对于化学方法和射线辐照方法, 采用大气压下放电等离子体技术用于高分子材料改性具有如下特点:

1) 反应温度低, 可避免聚合物表面损伤。

2) 避免了刻蚀、溶剂和温度, 它们是其它技术应用的局限性。

3) 根据材料性能特点, 采用不同的气体介质, 等离子体可参与或不参与材料表面化学反应, 即非反应型和反应型等离子体技术, 对材料最终表面化学结构和性质提供了更可控制性, 具有更高效率。

4) 可采用各种气体组合, 提供丰富的化学反应活性物质并具有较高的反应活性, 所得表面化学强列依赖于等离子体所用气体和剂量, 可显著提高PE、PP等表面能, 产生更润湿的表面。

5) 等离子体表面接枝是仅限于表面几个纳米深度的变化, 而不会影响材料本体性质, 可实现表面功能化。

6) 可保持材料表面长期的润湿性、稳定性, 减少表面分子降解和亲水退化效应。

7) 可对高分子材料实现等离子聚合、接枝和表面改性。

等离子体技术实现以上特点将会使高聚合物材料得到广阔的新应用。而且等离子体技术以极快的速度向新的应用领域渗透。如等离子体灭菌、室内空气净化、处置危险废物等等。这必将确立该技术在国民经济建设中的重要地位与作用。

联系人:孟月东

单位:中国科学院合肥物质科学研究院院地合作处

超细白炭黑的表面改性研究 篇4

1 实验部分

1. 1 实验原理及工艺流程

一般只要能与硅羟基反应的化合物都可以作为表面改性剂。有文献资料[3]表明, 六甲基二硅胺烷 ( HMDS) 是一种对白炭黑改性效果非常好的改性剂, 且此改性剂反应活性高。故本实验过程中采用HMDS对白炭黑表面进行改性处理。利用HMDS中的─Si ( CH3) 基团与白炭黑表面的Si─OH基团发生反应, 使HMDS中高活性的─Si ( CH3) 基团键合到白炭黑表面上, 从而实现白炭黑表面的有机化改性。其反应方程式为:

该反应过程[4]分为2 个主反应和1 个副反应。首先, HMDS发生式 ( 2) 所示的水解反应生成三甲基硅醇; 其次, 三甲基硅醇与白炭黑表面的硅羟基发生式 ( 3) 所示的分子键脱水反应生成白炭黑接枝产物; 三甲基硅醇也会发生式 ( 4) 所示自身分子键脱水反应生成六甲基硅氧烷。

文献资料表明, HMDS水解反应为一级反应。水解反应速率受p H和温度影响较明显。在中性和弱碱性条件下, HMDS已发生水解反应, 且水解速率随温度升高而加快。

1. 2 实验仪器

101 - 2A数显电热鼓风干燥箱, 上海泸南科学仪器联营厂; FTIR - 670 傅立叶红外吸收光谱仪, 美国Nicolet公司; FY - 1C旋片式真空泵, 浙江飞越机电有限公司; DC - B8 /12 马弗炉, 余姚市新自动化仪表厂; p H - 3C型精密p H计, 上海宇隆仪器有限公司; AL204 分析天平, 武汉科隆有限公司; DF - 101S集热式恒温加热磁力搅拌器, 巩义市予华仪器有限责任公司; JSM - 590 扫描电子显微镜, 日本电子公司。

1. 3 实验工艺流程

超细白炭黑表面改性工艺流程见图1。

称取一定量的二氧化硅粉末置于坩埚中, 放入马弗炉中加热至一定温度进行预处理, 并恒温一定时间, 对二氧化硅表面的硅羟基进行预处理。以乙醇作为分散剂, 与预处理后的二氧化硅粉末一起加入到三口烧瓶中, 搅拌10min, 使白炭黑中的硅羟基均匀分散于分散剂中。按一定质量分数 ( 改性剂六甲基二硅胺烷占白炭黑的质量分数, 下同) 称取改性剂, 一次性加入全部量的六甲基二硅胺烷, 升温至85℃进行反应。反应一定时间后结束反应, 将悬浮液用无水乙醇洗涤离心分离3 ~ 4 次。经干燥至恒重即得产品, 备用。

2 结果与讨论

本研究采用正交表L9 ( 43) 安排白炭黑改性实验, 结果见表1。

由表1 各因素极值R看出, 对白炭黑表面改性效果影响最大的因素是改性剂用量, 其次是预处理温度, 然后是改性时间, 影响最小的是预处理时间。在选择适宜工艺条件基础上进一步进行验证, 结果见表2。

由表2 可知, 第1 组实验的DBP吸附值最大, 但当将改性剂用量减小为2% , 升高预处理温度为200℃, 缩短预处理时间至2h时, 吸附值虽然稍小, 差距却不大。考虑到实际生产中的成本问题, 确定第4 组为较合适工艺条件, 即改性反应温度为85℃, 改性剂用量为2% , 反应时间为100min, 预处理温度为200℃ , 预处理时间为2 h。

2. 1 改性白炭黑的X射线衍射分析

图2 为经过改性的白炭黑样品的XRD谱图。由图2 可知, 该样品仅在20 ~ 25°的低衍射角区出现了一个很强的单峰, 即非晶衍射峰, 未出现尖锐的晶体吸收峰。由此可知, HMDS对白炭黑进行表面改性并不会改变白炭黑的形态。与未改性的白炭黑的XRD谱图相比, 该样品谱图上的半高宽稍小些, 这说明样品的晶粒变小。

2. 2 改性白炭黑红外吸收光谱分析

图3 为白炭黑改性前后的红外光谱图。图中显示, 白炭黑样品改性前与后在1096 cm- 1处都出现了比较大的吸收峰, 属于Si─O─Si键的反对称伸缩峰; 在3448. 32 cm- 1处都出现的较宽的吸收峰, 即─OH基的反对称伸缩振动和对称伸缩振动, 但是经过改性后该峰减小; 在952 cm- 1处都出现了Si─OH的弯曲振动吸收峰, 经过改性后的白炭黑样品中该峰减小; 在1637 cm- 1处都出现了H─O─H的吸收峰, 经过改性后该峰同样有所减小; 在807 cm- 1处和466 cm- 1处都出现了≡Si─O─Si≡的吸收峰。

改性后的白炭黑样品在2 972 cm- 1处出现了很小的≡Si─O─C─吸收峰, 即经过表面改性后的白炭黑表面含有烷基, 在852cm- 1处出现了较小的─Si ( CH3) 吸收峰。

通过比较, 基本可以说明白炭黑样品中的部分Si─OH基被HMDS中的 ─Si ( CH3) 取代, 且有部分与乙醇发生了酯化反应。

2. 3 改性白炭黑透射电镜分析

图4 为改性后白炭黑样品在透射电镜下的照片。由图4 可知, 该样品中的白炭黑粒子近似为圆球形, 一次粒子的平均粒径大约为250 nm, 这和激光粒度仪测定的平均粒径为263 nm基本吻合。与未改性的白炭黑相比, 经过改性后的白炭黑粒径稍微减小, 颗粒之间非常分散, 说明HMDS对白炭黑具有很好的改性效果。

3 结论

在反应器中, 以乙醇为分散剂, 以HMDS为改性剂, 自制纳米白炭黑为原料。初步确定了纳米白炭黑表面改性的适宜工艺条件为: 改性反应温度85℃, 改性剂用量2% , 反应时间100 min, 预处理温度200℃, 预处理时间2 h。对改性白炭黑做XRD分析可知, 白炭黑的表面改性并不会改变白炭黑的无定形态, 进行SEM分析可知改性后的白炭黑具有很好的分散性。

摘要：在反应器中, 以乙醇为分散剂, 以六甲基二硅胺烷为改性剂, 自制超细白炭黑为原料, 初步确定了超细白炭黑表面改性的最优工艺条件为:反应温度85℃, 改性剂用量2%, 反应时间100min, 预处理温度200℃, 预处理时间2 h。改性白炭黑XRD分析显示, 其表面改性并不会改变白炭黑的无定形态, SEM分析可知改性后的白炭黑具有很好的分散性。

关键词：超细白炭黑,六甲基二硅胺烷,表面改性

参考文献

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钢铁材料表面快速改性技术研究 篇5

钢铁材料是现代应用最为广泛的重要工程材料。但是由于其自身的原因及其使用的环境介质影响, 难免要发生腐蚀、磨损等各种形式的损坏, 降低了工件的使用寿命, 造成了很大的经济损失。多年来, 为了减轻钢铁材料因腐蚀与磨损造成的损失, 人们做了大量的研究与开发工作。除选用和研制高性能的整体钢铁材料外, 鉴于腐蚀与磨损都始于材料表面, 采用表面工程技术实施于材料表面以改变其耐磨、耐蚀性是材料科学工作者通常采用的办法。钢铁表面改性技术发展很快, 其中以气体碳氮共渗较好, 在上世纪60年代中期离子渗碳/氮技术迅速发展和完善起来, 经历了40多年的时间它已经成为离子热处理技术中最成熟、最普及的工艺, 但是处理温度高、共渗时间长、工件容易变形, 而且气体离子碳氮共渗技术是在低压气体放电产生的等离子体中进行的, 反应需要在低真空的条件下进行。液相等离子体电解渗透技术解决了这些难题, 它在一个开放的环境下, 处理时间很短在几十秒到几分钟的时间内即可获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗透层。

二、实验分析方法及机理

(一) 试验分析方法。

本实验的基体材料是Q235低碳钢, 试样尺寸分为8×10×1.2 mm。实验所需设备为自行研制的2 kW等离子体电解渗透装置。该装置主要有五部分组成:直流脉冲电源、共渗电解槽、排风系统、测温装置及电解液循环冷却系统。在渗透处理过程中, 处理的试样作为阴极。

1-电源2-安培表3-电压表4-循环冷却系统5-试样6-电解液7-搅拌系统8-绝缘装置9-测温装置10-共渗电解槽11-循环冷却水12-排风系统

本试验用的有机化合物是乙醇胺 (C2H5ONH2) 电解液, 其中水溶液中KCl质量百分数W%为9.09%, 电解液中水的百分含量为25%。

(二) 实验机理。

快速渗氮、渗碳及碳氮共渗处理的机理同样也遵循扩散过程的菲克方程式。由于弧光放电, 气体被击穿产生大量的处于等离子体态的活性原子, 这些活性原子在电场的作用下轰击试样表面, 离子注入到处理材料中, 产生空位和位错, 将导致两个方面的影响:一方面, 使工件表面的活性原子的浓度提高;另一方面, 强化沿晶界扩散, 即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动, 其运动的方向与饱和元素 (C, N) 扩散流的方向重合, 从而大幅度提高材料内C、N原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大, 使得非金属扩散系数可提高2～3倍, 从而使C和N原子的扩散过程得以强化;在等离子电解渗透技术中等离子体是通过弧光放电产生的, 具有比较大的电流密度 (1 A/cm2左右) , 所以离子的轰击非常强烈, 致使渗透的速度加快, 最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理。

三、实验结果分析与讨论

(一) 放电过程分析。

图2为等离子体电解碳氮共渗处理过程中电流和电压的工作曲线。由图我们可以看出, 电流和电压的工作曲线可以分为三个阶段。

第一阶段, 逐渐升高电压, 电流逐渐增加, 此过程符合欧姆定律, 试样作为电阻, 试样及其周围的液体被加热, 试样和电解液温度升高, 试样表面产生大量气泡, 此时电压在0～80 V之间。

第二阶段, 继续升高电压, 电流较快的增加, 此时已不符合欧姆定律, 这时是气液共同导电。就液体部分而言, 电极两端的电压增大, 电场增强, 离子运动速度加快而且液体温度不断升高, 致使溶液的电导率增大;就气体部分而言, 是因为在热电离和电极间电场作用下, 使气体分子电离所致。气体分子电离可以产生二次电子, 并被加速如同一次电子一样, 它也可以使气体分子电离, 其结果出现了雪崩式的电子流增大。电流雪崩式增大并伴随有气体发光的现象称为气体放电或气体的击穿, 此时的电压称为临界击穿电压。

第三阶段, 在气体被击穿稳定以后, 电流有个迅速减小的过程, 此时样品持续放热。在此过程中由于气体放电、电子碰撞产生大量的等离子体, 等离子体虽整体呈中性, 但它含有相当数量的电子和离子, 因此仍可以导电, 但由于气体击穿后产生的稳定连续的等离子体区将试样与电解液分开, 形成气液隔离层, 造成只有一种气态形式导电, 因此电流迅速变小。此时继续提高电压, 电流只有稍微增加, 增加电压的目的是为了维持试样表面的温度, 此时维持的电压称为工作电压, 此时电压在130 V～170 V之间。

(二) 渗透层的断面形貌。

图3 (a) 是未处理试样基体SEM照片, (b) 是经过150V电压下处理90s的试样渗层的断面形貌。

(三) 渗透层的成分分析。

对等离子体电解碳氮共渗层及其过渡区域进行的EDS点分析, 从渗层到过渡区打了三个点 (spectrum1、spectrum2、spectrum3) , 点的位置和点分析结果如图4所示。

由碳氮共渗层至过渡区, C、N元素的含量出现明显的变化, 在spectrum1点时C、N的含量最大分别为13.16 at%、5.01 at%, 在spectrum2点时C、N元素的含量减小, 在spectrum3点即在过渡区上C、N元素的含量最小分别为4.38 at%、0.22 at%。可见由碳氮共渗层表面到过渡区域C、N元素的含量逐渐减小。由渗层的点分析可以看出在进行碳氮共渗的过程中是以渗碳为主, 属于高温碳氮共渗。

(四) 渗透层的硬度分析。

在160 V工作电压下, 处理120 s试样的显微硬度变化曲线如图5所示。

由图5可以看出, 在开始阶段硬度逐渐增加, 在距离表面60 μm时硬度值出现峰值。共渗层表面区的硬度之所以较内层稍低, 是因为其中有一定量的残余奥氏体存在。残余奥氏体量越多, 硬度值的降低越多;当共渗层很薄时, 最高硬度区才接近于共渗层的表面, 随着共渗层厚度的增加, 最高硬度区向中心移动。硬度值在HV600以上的渗层厚度为75 μm。渗层的最大硬度为HV770, 而基体的硬度为HV200, 可见渗层的硬度比基体提高了3倍多。由于渗层的组织含有高碳马氏体和奥氏体的固溶体、渗层的成分中有碳氮化合物, 这些都是使得渗层的硬度出现明显提高的因素。

四、结论

首先, 液相等离子体电解碳氮共渗技术具有渗透速度快, 工作电压低等优点, 是一种很有发展前途的钢铁表面改性技术。

其次, 150V、90s条件下处理的试样出现了明显的渗层。

再次, 经过160 V、120 s条件下处理的试样耐磨性是基体的3倍。

参考文献

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[6].聂学渊.快速表面改性技术研究[J].金属热处理, 1997

聚四氟乙烯的表面腐蚀改性研究 篇6

一、实验部分

1. 原料。

聚四氟乙烯 (PTFE) ;金属钠 (Na) , 分析纯;萘 (C10H8) , 分析纯;四氢呋喃 (C4H8O) , 分析纯;邻苯二甲酸二丁酯 (C16H22O4) , 分析纯;乙二胺 (C2H8N2) , 分析纯;丙酮 (C3H6O) , 分析纯。

2. 测试仪器及实验工艺。

采用中国科学院长春科新公司试验仪器研究所生产的WDW3050微机控制电子万能试验机, 参照GB/T7124-1986“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法”进行测试, 夹持长度为100mm, 拉伸速度为5mm/min, 测试温度为24℃, 测试液体为蒸馏水。工艺流程如图1。

3. 钠—萘腐蚀溶液的配制。

在四口烧瓶中加入一定量的精萘, 放在干燥的铝锅内, 装上回流冷凝器、温度计和搅拌器, 再加入一定量的四氢呋喃溶液, 开动搅拌器。取一定量的金属钠, 逐步加入四口烧瓶中, 钠加完后通入干燥的氮气, 在铝锅中注入水, 温度控制在15～20℃, 反应时间为1.5～2h。

4. PTFE的表面活化。

将100mm×25mm×2mm的聚四氟乙烯板表面用细砂纸打磨, 丙酮洗涤, 晾干。将晾干的PTFE板在氮气保护下放在钠—萘处理液中浸泡8～10min。取出在丙酮中洗涤, 再用蒸馏水洗净, 晾干后用胶粘剂黏结或者放在干燥、避光的地方存放备用。

5. 聚四氟乙烯的黏结。

用玻璃棒蘸取环氧树脂胶粘剂在聚四氟乙烯试样的黏结面上涂胶, 胶层厚度控制在0.07～0.15mm, 放置在固化夹具内加压固化, 压力约为0.5～1.0MPa, 固化24h后进行拉伸剪切强度的测试。

二、结果与讨论

1. 聚四氟乙烯试样拉伸剪切强度的变化。

应用WDW3050微机控制电子万能试验机参照GB/T7124-1986“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法”对PTFE试样的拉伸剪切强度的测试, 对钠—萘溶液每一浓度表面改性后的PTFE, 进行了5组试样的测试, 根据公式τ=P/ (B×L) , 求出算术平均值, 即为钠—萘溶液该浓度表面改性后试样的拉伸剪切强度, 测试结果见图2。

由图2可知, 当处理液浓度较小时, 试样的拉伸剪切强度随浓度的增大而增大, 在处理液浓度为1.0mol/L时, 拉伸剪切强度达到最大值。当处理液浓度继续增大时, 其拉伸剪切强度反而明显下降。究其原因是PTFE经钠—萘处理液表面改性后, PTFE表面形成了一层粗糙疏松的黑褐色处理层, 表面含有CH, CO, C=C, COOH等极性基团, 提高了与环氧树脂等胶粘剂的反应能力, 使界面上形成化学键, 大大提高了其黏结强度;又由于钠—萘络合物具有腐蚀性, PTFE改性后, 其表面将粗糙不平, 遍布沟壑, 当胶粘剂渗入到坑凹中去固化之后, 就像一个锚一样抛定在那里, 增加其黏结性能。但是当处理液浓度较高时, 其反应活性较大, PTFE表面会受到过强的氧化腐蚀, 反而会引起表面产生与底层结合不良的焦化层, 从而降低了PTFE表面的内聚能密度, 因此导致拉伸剪切强度的下降。

2. 聚四氟乙烯试样表面接触角的变化。

应用JC2000A静滴接触角/界面张力测量仪对PTFE试样的表面接触角的测试, 对不同浓度钠—萘溶液改性后的PTFE进行了测试, 测试结果见图3。

由图3可知, 经过表面改性处理后, PTFE试样的接触角明显变小, 在处理液浓度为1.0mol/L时达到最小值。处理液的反应活性随着钠—萘处理液浓度的升高而提高, 改性后的PTFE分子中萘环等基团的含量提高, 增加其表面能, 使PTFE的浸润性增大, 表面接触角逐渐减小。然而萘环是疏水性的, 故当钠—萘溶液达到一定浓度时, 萘环继续增加, 反而会使表面接触角增大。综合上述原因, 当处理液浓度为1.0mol/L时表面接触角最小。这里可以看出表面接触角测试数据与剪切强度测试结果是相互印证的。

图4是未处理的PTFE试样的表面接触角测试图, 图5是经浓度为1mol/L的处理液改性后的PTFE试样的表面接触角测试图。

三、结论

高岭土表面改性方法与应用 篇7

由于高岭土的矿物形成条件及开采加工方法的差异,导致其表面性能有很大差别,使得高岭土的应用范围具有局限性。因此,研究、开发不同表面改性的方法,适应高岭土在不同行业中的应用要求,是扩大高岭土的应用范围及应用效果的重要手段。

1 高岭土矿物表面物理化学特征

高岭土又称瓷石,是多种矿物组成的含水铝硅酸盐的集合体,主要成分是高岭石。高岭石是一种含水铝硅酸盐,其晶体化学式为2Al2Si2O5(OH)8或2Si O2·Al2O3·2H2O。高岭石中的水是以—OH的形式存在的。其晶体结构的特点是由—Si—O四面体层和—Al—(O,OH)八面体层连接而成。高岭石每个结构单元层的O与相邻结构单元层的八面体层的—OH通过氢键相结合,使高岭土结构单元成层状堆积。这种层间力由于是弱的氢键和范德华力,故高岭土形态主要呈板状,易于沿与层面平行的方向裂开,而被加工成超细粉。在自然界中,高岭土以鳞片状存在。它能与许多极性分子,如HC—ONH2、CH3CONH2、(NH2)2CO等相互作用,产生高岭石———极性有机分子嵌合复合体。有机分子进入层间域,并于结构层两表面与氢键相结合,其结果一是使高岭土的结构单元层厚度增大,二是改变了高岭土的表面性质(如亲水性)等,高岭土的应用领域由此而拓宽。

2 高岭土的表面改性方法

对高岭土的表面进行改性,主要是提高其白度、亮度、表面化学活性及与聚合物的相容性等。主要有以下方法:

(1)煅烧法。煅烧使高岭土脱水和脱挥发性物质,其目的在于提高高岭土的白度、纯度,改变晶体结构、表面及加工性能等。煅烧后的高岭土具有白度高、密度小、吸油性增加、比表面积增大、遮盖性和耐磨性良好、绝缘性和热稳定性高等特点。

(2)偶联剂处理法。偶联剂处理是利用偶联剂与高岭土表面活性基团间的相互作用而达到改变高岭土性质的。偶联剂处理有湿法处理、干法处理。(1)湿法处理是将高岭土粉浸入溶有偶联剂的溶液中,在一定温度下作用,然后使高岭土粉与溶剂分离,再将粉料进行干燥。与干法相比,湿法具有偶联剂与粉料混合均匀的优点,但也存在着加工工艺复杂、溶剂损失大、成本高的缺点,目前该工艺已很少使用。(2)干法处理是将高岭土微粉放入高速混合器中,在一定的温度下搅拌、烘干,将用溶有偶联剂的溶剂及助剂缓缓加入,经一定时间搅拌处理,就可制得表面改性的高岭土填料。由于改性剂的用量很少,通常只是粉体的1%~5%,要使改性剂与粉体用干法处理混合包复好,对设备和操作过程应充分注意,力求尽可能达到湿法的效果。

(3)包膜处理法,利用有机物或无机物在高岭土微粉粒表面包膜而改进其使用性能的一种方法。该法简便、实用性强,对一些使用要求不高的高岭土产品常采用此法改性,如硬脂酸包膜高岭土粉作普通橡胶填料等。

(4)化学接枝处理法,利用高岭土表面的活性—OH基在一定条件下能与其它物质形成化学键或被其它基团取代的原理而对高岭土表面进行处理的一种方法。经化学接枝处理的高岭土能提高填料的性能,可根据需要选择合适的接枝体和不同的改性条件,达到不同的改性目的。在制造精细化、专用化产品方面,这种方法具有很大的优势,是高岭土深加工的一个主要方面。

3 改性高岭土的应用

经改性后的高岭土,与有机高分子材料的交联性有了改善,分散性得到了提高,承受外界负荷的有效截面得到增加,使有机高分子材料制品的力学性能等得到增强,功能性大大提高。改性高岭土的应用十分广泛,特别是在涂料、塑料、橡胶等行业占有一定的地位。

3.1 改性高岭土在涂料中的应用

在涂料工业中,经常使用的高岭土有两大类:一是水洗超细高岭土,一是煅烧超细高岭土。煅烧高岭土是近年来发展起来的一种新型功能型填料,它作为涂料的填料不仅具有较高的白度和不透明性,能在高聚物中提供较好的稳定性和色泽,而且有较好的遮盖力,软而耐磨,并有抗磨蚀、不收缩等特性。高岭土作为白色填料,其本身并不具备遮盖力。但若以一定比例加入到白色涂料(油漆)中,则可起增亮剂的作用,使涂料的遮盖力有所提高。

3.2 改性高岭土在塑料中的应用

在塑料工业中,高岭土可代替重质Ca CO3作PVC、PP、聚酯、尼龙、酚醛树脂等塑料的填充料,用来制造塑料地板、塑料水管等。以高岭土作塑料的填充料能使塑料表面光滑,提高尺寸精度和耐化学腐蚀性等。尤其是它在高绝缘电缆塑料方面作填充料可提高其电阻率,这是其它无机矿物填料所无法比拟的。改性煅烧高岭土在其它塑料制品中应用,可使其产品尺寸稳定性、冲击强度和变形温度等均有较大的提高,并可增加填加量降低成本。

3.3 改性高岭土在橡胶中的应用

在橡胶制品生产中,提高各种配合剂在胶料中的分散和交联程度,是确保制品胶料质地均一和制品性能优异的关键。对橡胶制品力学性能的影响主要是填料的结构、粒度、粒度分布、物理化学性质。用高岭土作为填料和补强剂,可提高橡胶制品的档次。在橡胶中掺入粉状高岭土后,形成有机高聚物(橡胶)—无机物(高岭土)复合材料,它不仅能改善橡胶制品的物理化学性能。还可降低橡胶制品的成本,提高经济效益。但是作为橡胶补强剂的高岭土,其Mn的含量必须小于0.007%~0.0045%,否则会加速橡胶的老化。

4 结语

高岭土的改性是一项范围广泛的精加工技术,随着研究的不断深入,改性高岭土将有更多的品种和更好的使用性能与效果。

参考文献

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纳米ATO粉体的表面改性研究 篇8

1 实验部分

1.1 原料

纳米ATO粉体,市售;硅烷偶联剂(KH570),南京曙光化工集团有限公司;硅烷偶联剂(KH560),杭州市沸点化工有限公司;硅烷偶联剂(KH151),中国医药集团上海化学试剂公司;硅烷偶联剂(DB231),德邦化工新材料有限公司;钛酸酯偶联剂(NDZ101), 南京曙光偶联剂有限公司;无水乙醇(AR),市售。

1.2 仪器

超声波分散仪(KS-600),宁波海曙科生超声设备公司;傅里叶变换红外光谱仪(NICOLET205) ,美国尼高力公司;热重(TG),埃尔默仪器(上海)有限公司;722光栅分光光度计,上海第三分析仪器厂。

1.3 纳米ATO粉体表面改性及超声分散

纳米ATO粉体在120℃的真空箱中预干燥4h[7],称取一定量加到装有100mL无水乙醇的广口瓶中,超声分散30min,然后将其转移到三口烧瓶中,放入80℃的恒温水浴中匀速搅拌,待搅拌稳定后通过滴管从瓶口加入偶联剂(偶联剂溶解在一定量的无水乙醇中),反应5h后取出干燥,再索氏抽提24h,随后在120℃真空烘箱中干燥12h,最终在研钵中研细后干燥保存。

1.4 纳米ATO粉体表面改性分析表征

利用润湿接触角和光透过率来评价改性的效果;采用傅立叶红外光谱表征粉体改性前后表面官能团的变化;利用热重来表征粉体改性前后的热失重变化。

1.4.1 润湿接触角的测定

采用毛细管浸透速度法测定纳米复合粉体表面润湿接触角。将一定量的粉体装入下端用脱脂棉封闭的玻璃管内,压紧至固定的刻度,然后将测量管垂直放置并使下端与液体接触,测量液体浸润粉体层的高度和时间[8]。

根据Washburn 方程

h2= (r·cosθ·σ/2ηL )·t (1)

式中,h为液体浸润粉体层的高度,t为液体浸润粉体层的时间,r 为粉体颗粒间孔隙毛细管的平均半径(cm), ηL 为溶剂的黏度(Pa·s),θ为溶剂与粉末的接触角,σ为溶剂表面张力(N/m)。h2与t之间符合直线关系,直线斜率越大,粉体表面与溶剂间的润湿性越强,而实验中采用的溶剂是无水乙醇,也就是说斜率越小反而亲油性越好。

1.4.2 光吸收率测定方法

称取一定量改性好的纳米粉体在适量无水乙醇中超声分散15min,静置24h后取上清液,用722分光光度计测光吸收率。溶剂中纳米粉体含量越高,光吸收率越高,说明分散效果好,表明改性效果越好。

2 结果和讨论

2.1 不同偶联剂对纳米ATO粉体的亲油性的影响

加入2份的5种不同偶联剂,固定反应时间为2h、水浴温度80℃的条件下,纳米ATO粉体与无水乙醇的h2～t关系如图1所示。

从图中可以看出,不同偶联剂改性后复合粉体的斜率比与改性前的小,说明粉体表面的性质发生了改变,亲油性增强,其中又以KH570表面改性后复合粉体亲油性最好。

2.2硅烷偶联剂用量对纳米ATO粉体亲油性和分散性影响

加不同份量偶联剂后纳米复合粉体与无水乙醇的h2～t的关系见图2。

固定时间5h,水浴恒温80℃的条件下,分别加入1～5份KH570。

由图2、3可知,加入1份的偶联剂时,斜率最小,说明亲油性最好;在2份之前,斜率随偶联剂增加而变小。但超过2份之后,随偶联剂增加斜率反而变大,亲油性变差。这说明在2份时,复合粉体已经达到饱和单层包覆,再随偶联剂的加入,就可能形成多层包覆,亲油性降低,降低了在乙醇中的分散性。

2.3硅烷偶联剂反应时间对纳米ATO粉体的亲油性和分散性的影响

固定水浴80℃,偶联剂用量为2份,不同反应时间改性后复合粉体与无水乙醇的h2～t关系如图4。

从图4可以看出,斜率随反应时间的延长而变小;当反应时间为5～8h时,斜率最小且几乎一样。时间太短,偶联剂不能很好地包覆纳米粒子的表面,因此亲油性较小;当超过5h后,亲油性几乎差不多。这说明反应5h时,纳米粒子表面已经形成单分子层化学包覆,反应时间再增加,只是使微量的偶联剂以物理吸附到单分子层表面,因而5h后的亲油性变化不大[9]。从图5可以看出,当反应时间为5～8h时,光吸收率几乎不变,所以反应时间为5h较适宜。

2.4硅烷偶联剂反应温度对纳米ATO粉体的亲油性和分散性的影响

不同反应温度下改性纳米复合粉体与溶剂的h2～t关系如图6所示 (实验固定反应温度80℃,KH570添加量为2份)。

由图6可以看出,随反应温度的升高,直线斜率越来越小,说明粉体的亲油性越来越好。原因是温度升高,表面接枝反应速率增大,接枝率增加。由图7可知,在80、90℃时,光吸收率几乎不变,这时体系温度为78℃,因此,最佳的改性温度为体系的回流温度。

2.5 红外光谱分析

最佳工艺条件下制备的纳米复合抗菌粉体的红外光谱如图8。

从图谱中可以看出,改性后在1720cm-1处有个C=O的伸缩振动吸收峰,说明KH570已经成功偶联到复合粉体表面上了。在2930cm-1左右处出现了-CH3、-CH2-的伸缩振动峰也说明偶联反应已进行。

2.6 热重分析

纳米复合抗菌粉体在偶联剂改性前后的热失重图见图9。

从图9可以看出,改性前后试样热重曲线有明显差别。a曲线在100℃左右有个明显的失重,这主要是纳米表面吸附的水。在200～600℃,改性后的复合粉体失重率约为2%,主要是粉体表面接枝的KH570燃烧造成的,这与偶联剂最佳含量为2份相符。

3 结 论

纳米ATO粉体的改性最佳工艺条件为硅烷偶联剂KH570添加量2份,反应温度为80℃,反应时间为5h。硅烷偶联剂KH570改性后的复合粉体表面由亲水性变为亲油性,有利于与高分子材料进一步复合改性。

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