表面修改

表面修改（surface modification）是用和原材料表面性質不同的物理，化學和生物性質的物質或技術去改造材料的表面。表面修改的目的是滿足產品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特種功能要求。

基本介紹

• 中文名：表面修改
• 外文名：surface modification
• 學科：材料科學的次級學科
• 套用方向：化學、機械工程、電工程

簡介

一般是對固體的表面修改。但也有修改特別的液面的例子。可用不同方法，使表面在大範圍內改表性能；如粗糙度，親水性，表面電荷，表面能量，生物適合性和表面活性等。

表面改性工藝

1、物理塗覆：是利用高聚物或樹脂等對材料表面進行處理以達到填料表面改性的工藝。

2、化學包覆：是利用有機物分子中的官能團與填料表面發生化學反應，對粉體顆粒表面進行包覆，使顆粒表面改性的方法。

3、沉澱反應：是通過無機化合物在顆粒表面沉澱反應，在顆粒表面形成一層和多層包覆膜，以改善粉體表面性質。

4、機械力化學：是利用超細粉碎或強烈機械作用有目的地對粉體表面進行激活，在一定程度上改變顆粒的晶體結構、溶解性能、化學吸附和反應活性等，從而達到粉體表面改性的目的。

5、插層改性：是指利用層狀結構的粉體顆粒晶體層之間結合力較弱和存在可交換陽離子等特性，通過離子交換或化學反應改變粉體的層間和界面性質的改性方法。

表面改性方法

表面改性方法很多。能夠改變粉體表面或界面物理化學性質的方法，如表面有機包覆、液相化學沉澱包覆、氣相物理沉積，機械力化學、層狀結構粉體插層等都可稱為表面改性方法。二十一世紀初工業上無機粉體表面改性常用的方法主要有表面有機包覆、沉澱反應包覆、機械力化學及複合法等。

表面有機包覆改性是最常用的無機粉體表面改性方法。這是一種利用有機表面改性劑分子中的官能團在顆粒表面吸附或化學反應對顆粒表面進行改性的方法。所用表面改性劑主要有偶聯劑(矽烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機絡合物、磷酸酯等)、高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、矽油或矽樹脂、有機低聚物及不飽和有機酸、水溶性高分子等。
沉澱反應包覆是利用化學沉澱反應將表面改性物沉澱包覆在被改性顆粒表面，是一種“無機/無機包覆”或“無機納米/微米粉體包覆”的粉體表面改性方法或粒子表面修飾方法。粉體表面包覆納米TiO₂、ZnO、CaCO₃等無機物的改性，就是通過沉澱反應實現的，如雲母粉表面包覆TiO₂製備珠光雲母；鈦白粉表面包覆SiO₂和Al₂O₃以及硅藻土和煅燒高嶺土表面包覆納米TiO₂和ZnO；矽灰石粉體表面包覆納米碳酸鈣和納米矽酸鋁。
機械力化學改性是利用粉體超細粉碎及其它強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結構複雜或表面無定形化，增強它與有機物或其他無機物的反應活性。機械化學作用可以提高顆粒表面的吸附和反應活性，增強其與有機基質或有機表面改性劑的使用。以機械力化學原理為基礎發展起來的機械融合技術，是一種對無機顆粒進行複合處理或表面改性，如表面複合、包覆、分散的方法。
插層改性是指利用層狀結構的粉體顆粒晶體層之間結合力較弱(如分子鍵或范德華鍵)或存在可交換陽離子等特性,通過離子交換反應或特性吸附改變粉體性質的方法。因此，用於插層改性的粉體一般來說具有層狀晶體結構，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。
複合改性是指綜合採用多種方法（物理、化學和機械等）改變顆粒的表面性質以滿足套用的需要的改性方法。套用的複合改性方法主要有有機物理/化學包覆、機械力化學/有機包覆、無機沉澱反應/有機包覆等。

表面改性設備

表面改性設備可分為乾法和濕法兩類。非金屬礦粉常用的乾法表面改性設備是SLG型連續粉體表面改性機，高速加熱混合機，渦流磨及PSC型粉體表面改性機等。常見的濕法表面改性設備為可控溫反應罐和反應釜。

粉體表面改性的研究內容

原理和方法

改性原理和方法是粉體表面改性的基礎。主要包括：

①根據顆粒表面性質和改性後粉體的套用環境對表面改性劑的選擇和設計，以及顆粒表面、界面性質與套用性能的關係；

②顆粒表面或界面與表面改性劑的作用機理，如吸附或化學反應的類型，作用力或鍵合力的強弱，熱力學性質的變化等，進而建立改性劑在顆粒表面的作用模型；③表面改性方法的基本原理或理論基礎。

表面改性劑

從表面改性的涵義和目標可以看出，在以化學助劑為改性劑的粉體表面改性中，表面改性劑在顆粒表面的作用是顆粒表面、界面性質以及粉體套用特性發生改變的基礎。因此，表面改性劑的選用十分重要。表面改性劑的研究內容涉及種類、結構、功能及其與各種顆粒表面基團的作用機理或作用模型等，包括表面改性劑的分子結構、分子量、有機烴鏈長度、活性基團與改性產物性能之間的關係，改性劑用量、使用方法及新型、特效表面改性劑的設計與合成技術等。

改性工藝與設備

表面改性設備是完成粉體表面改性的保障，改性工藝則是依託改性設備，並按照改性方法和改性劑等條件實現改性目標的重要環節。涉及表面改性工藝與設備的主要研究內容包括：改性工藝流程和T藝條件、設備類型與操作條件、影響因素以及表面改性工藝與設備的有機聯繫等。

表面改性過程的控制與產品檢測技術

這一研究領域涉及表面改性過程中各操作因素（如溫度、濃度、酸度、時間、改性劑用量）和結果因素（改性物表面包覆量、包覆率或包膜厚度）等參數的調控與監控技術，包括改性產物的濕潤性、分散性、粒度分布特性、表面形貌、表面能、表面改性劑的吸附或反應類型、表面包覆量、包覆率、包膜厚度、表面包覆層的化學組成、晶體結構、電性能、光性能、熱性能等的檢測方法等，也包括建立控制參數與指標之間的對應關係，以及過程的計算機仿真和自動控制等。

表面工程

表面工程是材料科學的次級學科。它涉及固體物質的表面問題。它已用到化學，機械工程，和電工程（特別與半導體製造工程）。

表面稱為表面相。固體是有包含表面的大塊材料。它起和周圍環境之間介面的作用。固體內部稱為固體的體積。固體表面和周圍環境相互作用。這可使表面隨時間而退化。造成退化的原因有：摩損，腐蝕，疲勞和蠕變。

表面工程包括改變表面相的性質以便減少它隨時間的退化。它可使表面對它的環境有更強的抵抗能力。

表面工程套用

表面工程技術被用到汽車工程，宇宙空間，飛彈，電站，生物醫學，紡織，水泥機械，機械工具，建築工業。表面工程技術可用來發展許多底層表面的功能性能，包括：物理，化學，電，電子，磁，機械，抗磨損和抗腐蝕的性質

幾乎所有類型的材料，包括金屬，陶瓷，高分子和複合材料都可包附類似或不類似的材料。也可能包附最新的材料，使用階段澱積或多成分澱積等方法。

表面功能化

表面工能化引入化學功能群到表面，可以用標準的大塊材料設計做出不同的底板。最突出的例子可在半導體工業和生物材料的研究中找到。高分子表面功能化等離子過程的技術已成功地用到表的面高分子功能化。