功能材料是高分子材料研究、開發(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,在國民經(jīng)濟(jì)各個領(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)是近年來發(fā)展起來的一門新的科學(xué)技術(shù)，是材料科學(xué)的一個重要組成部分。對于超細(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，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,國際上已經(jīng)作為第四代催化劑進(jìn)行研究和開發(fā),采用納米級催化劑可以使化學(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)過程的活化劑使用,以加快燒結(jié)過程、縮短燒結(jié)時間、降低燒結(jié)溫度。同時超細(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)境的變化會迅速引起其表面或表面離子價態(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)定的時間內(nèi),自動按某一速度從劑型中恒速釋放,作用于器官或特定靶組織,并使藥物濃度較長時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)微粒和納米粒通過非腸道給藥時,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)的滯留時間,提高生物利用度。可見,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,通過界面區(qū)將樹脂基體和填充材料結(jié)合成一個整體,并通過它傳遞外場作用。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脂基體間之所以形成強(qiáng)的結(jié)合,是因為通過化學(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脂基體大分子反應(yīng)的官能團(tuán),形成填充材料與樹脂基體之間的化學(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,對指導(dǎo)選擇表面處理劑、合成新的表面處劑,指導(dǎo)無機(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、界面潤濕理論

該理論認(rèn)為,填充材料與樹脂基體間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘附與潤濕吸附。機(jī)械粘附模式是一種機(jī)械鉸合現(xiàn)象,即樹脂固化后,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,兩種作用實際上往往同時存在。樹脂基體在填充材料表面良好的潤濕是極其重要的,若潤濕不良,受到外力的作用時,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。若能形成完全潤濕,則由物理吸附產(chǎn)生的鉆附力能超過樹脂基體的內(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態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)头肿游?如水浸蝕復(fù)合材料時,將使界面的化學(xué)鍵斷裂,同時在應(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,使樹脂基體與填充材料之間仍能保持一定的薪合強(qiáng)度。這個變化過程的同時,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,對填充材料進(jìn)行表面處理的處理劑在填充材料與樹脂基體間的界面形成了一層塑性層,當(dāng)受到外力作用時,它能發(fā)生形變,松弛界面應(yīng)力作用,同時還能阻止裂紋擴(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,樹脂基體與填充材料間界面的形成粘接是由于摩擦作用,樹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。對填充材料進(jìn)行表面處理,其作用在于增加了樹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。