粉末表面改質r表面改質とは、物理的、化学的、または機械的な手段を用いて粉体表面を標的処理することを指します。その目的は、粉体の物理化学的特性を変化させ、または新たな機能を付与することです。この技術は、粉体処理および応用においてますます重要になっています。現代の材料、高度なプロセス、そして新興技術の要求に効果的に応えます。表面改質により、粉体の応用価値と性能を大幅に向上させることができます。
パウダーの8つの主な理由 表面改質
理由1：適合性の向上と分散性の強化
プラスチック、ゴム、接着剤などのポリマー材料、およびポリマーマトリックス複合材料において、無機鉱物フィラーは重要な役割を果たします。しかし、無機粉末と有機ポリマーマトリックスの表面および界面特性には大きな違いがあります。
その結果、相溶性が悪く、分散が均一にならない場合が多く発生します。
表面改質を行わずに無機粉末を直接充填したり、過剰に充填したりすると、機械的強度が低下する可能性があります。深刻な場合には、材料の脆化を引き起こす可能性があります。表面改質により、無機充填剤の表面特性が最適化され、有機マトリックス内での相溶性と分散性が大幅に向上します。
その結果、複合材料の機械的強度と全体的な性能が向上します。さらに重要なのは、表面改質によって無機充填材が体積膨張剤から機能性充填材へと進化することです。これが、粉体表面改質の最も基本的な目的の一つとなっています。
理由2：顔料分散性の向上とコーティング性能の向上
粉体表面改質のもう一つの重要な目的は、コーティング剤や塗料における顔料とフィラーの分散性を向上させることです。同時に、光沢、着色力、隠蔽力、耐久性も向上します。
塗料中の顔料と体質顔料は主に無機粉末です。有機バインダーへの良好な分散性を確保するには、濡れ性と界面結合を向上させる表面改質が不可欠です。新興の特殊塗料（電気、磁気、音響、熱、光学、抗菌、防錆、耐放射線、装飾塗料）では、充填剤と顔料は超微粒子であるだけでなく、特定の機能を持つ必要があり、表面処理が不可欠です。
さらに、二酸化チタンにアルミナやシリカをコーティングするなどの無機表面コーティングを施すことで、耐候性や着色性能をさらに向上させることができます。
理由3：優れた分散安定性とレオロジー特性を実現
水性建築塗料の採用が拡大するにつれ、無機顔料とフィラーはより厳しい要件を満たす必要が生じています。他の配合成分との相溶性に加え、長期的な分散安定性と優れたレオロジー挙動を示すことが求められます。そのため、水性塗料に使用される顔料とフィラーには、表面改質が広く適用されています。これにより、保管中の配合安定性と、塗布時の信頼性の高い性能が確保されます。
理由4：パール効果の付与
現代の高付加価値製品は、優れた光学効果と視覚的な美しさを重視し、色の豊かさを高めています。そのためには、優れた光沢と装飾効果をもたらす表面処理された粉体材料が必要です。
例えば、二酸化チタン、酸化クロム、酸化鉄、酸化ジルコニウムなどの金属酸化物で表面改質された雲母粉は、化粧品、プラスチック、淡色ゴム、塗料、特殊コーティング、皮革などに使用でき、真珠のような効果を生み出し、製品価値を大幅に高めます。
理由5：無機顔料の分散性向上
無機-無機複合材料においては、無機成分の分散が最終的な性能に決定的な影響を与えます。着色セラミックタイルなどのセラミックシステムにおいては、顔料の分散が色の均一性と製品品質を直接左右します。
分散性に優れた顔料は、高価な顔料の使用量を削減しながら色品質を向上させます。したがって、無機マトリックス中における無機顔料の分散性を向上させることは、無機複合材料の開発において非常に重要です。
理由6：機能性付与と応用分野の拡大
層状結晶粉末は、弱い分子間結合または層間のイオン交換特性を利用して層間修飾を受けることができ、粘土またはグラファイト層間化合物などの新しい層間化合物を形成します。
これらの材料は、元の粉末にはない新たな物理化学的特性を有しています。例えば、化学的にインターカレートされたグラファイトは、優れた耐高温性、耐熱衝撃性、耐酸化性、耐腐食性、潤滑性、シール性を備えています。導電性材料、電極、水素貯蔵材料、フレキシブルグラファイト、シール製品の原料として利用されており、冶金、石油、化学工学、機械、航空宇宙、原子力、新エネルギー分野など、幅広い分野で利用されています。
有機的に改質されたベントナイトは、非極性および弱極性溶媒において優れた膨潤性、吸着性、チキソトロピー性、および結合性も示します。
理由7：吸着と触媒特性の向上
表面改質は、吸着および触媒粉末材料の活性、選択性、安定性、および機械的強度を向上させるために不可欠です。
たとえば、金属酸化物、アルカリ土類金属、希土類酸化物、または Cu、Ag、Au、Al、Co、Pt、Pd、Ni などの金属を、活性炭、珪藻土、アルミナ、シリカゲル、セピオライト、ゼオライトなどの粉末表面に含浸法で充填して、性能を最適化することができます。
理由8：ナノパウダーを真のナノ材料として機能させる
ナノパウダーは、ミクロンサイズの粉末の高度な形態であり、非常に大きな応用可能性を秘めています。しかし、その高い比表面積、豊富な表面原子、そして高い表面エネルギーにより、製造、保管、輸送、そして適用の過程で凝集しやすく、二次粒子やより大きな粒子が生成され、ナノ効果が失われます。
したがって、表面改質は、アプリケーションのパフォーマンスを向上させ、ナノパウダーの工業化を加速するために重要です。
粉体表面改質の6つの主な方法
表面改質法は、用途に応じて粉末の表面特性を意図的に変化させるように設計されています。現在、6つの主要なカテゴリーが広く利用されており、いずれも高度な装置と組み合わせることで、効率的かつ均一な改質を実現できます。
物理的コーティング法
原理： ポリマーまたは樹脂コーティングは、冷間または熱間プロセスを使用して粉末表面に適用され、コーティング層を形成します。
修飾子: ポリマー、フェノール樹脂、フラン樹脂など
影響要因: 粒子の形状、比表面積、多孔度、コーティングの種類と投与量、コーティングプロセス。
適用可能な材料: 鋳物砂、石英砂。
装置： 3本ローラーコーティング機3つの回転ローターを用いて内部の渦流を変化させ、連続的な表面改質を可能にします。自己摩擦によって熱が発生するため、外部加熱は不要です。325～3000メッシュの粉末やステアリン酸などの改質剤に適しており、投資コストと運用コストを抑えられます。
化学コーティング法
原理： 有機官能基は、フリーラジカル反応、キレート化、ゾル吸着などの乾式または湿式プロセスを通じて無機粉末表面に吸着または化学結合されます。
修飾子: シラン、チタン酸塩、アルミン酸塩、ジルコニウムアルミン酸塩カップリング剤、脂肪酸および塩、有機アンモニウム塩、界面活性剤、リン酸塩、不飽和有機酸、水溶性ポリマー。
適用可能な材料: 石英砂、シリカ粉、炭酸カルシウム、カオリン、タルク、ベントナイト、重晶石、珪灰石、雲母、珪藻土、ブルーサイト、硫酸バリウム、ドロマイト、二酸化チタン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、アルミナなど。
装置：
- ターボミルコーティング機調整可能なローター・ステーターギャップと最大130 m/sの線速度を備えた
- ピンミルコーティング機均一なコーティングとエネルギー効率を実現する高せん断力を提供する逆回転ピンディスク付き
沈殿反応法
原理： 無機化合物が粒子表面に沈殿し、1つまたは複数のコーティング層を形成して、光沢、着色力、隠蔽力、色保持性、耐候性、電気的/磁気的/熱的特性などの特性を向上させます。
修飾子: 金属酸化物、水酸化物、無機塩。
適用可能な材料: 二酸化チタン、真珠光沢雲母、アルミナ顔料。
装置： 化学反応器と組み合わせ ハニカムミルコーティング機後処理には s を使用し、最大 99.2% のコーティング率と最大 99.8% の活性化率を実現します。
メカノケミカル法
原理： 超微粉砕中の強力な機械的力により粉末表面が活性化され、結晶構造、溶解性、吸着挙動、化学反応性が変化します。
修飾子: 粉砕助剤、分散剤、表面改質剤。
適用可能な材料: カオリン、タルク、マイカ、珪灰石、二酸化チタン。
装置： ボールミル、ジェットミル、高速衝撃ミル、ピンミル、ハニカムミル、ターボミル、および 3 ローラーコーティング機は、≤1 μm または <100 nm の超微粉末でも、同時に分散、コーティング、乾燥、成形を行うことができます。
インターカレーション修飾法
原理： 層状鉱物の弱い層間結合またはイオン交換特性を利用して、イオン交換または化学反応により界面特性を変更します。
修飾子: 第四級アンモニウム塩、ポリマー、有機モノマー、アミノ酸、金属酸化物、無機塩。
適用可能な材料: カオリン、グラファイト、雲母、ハイドロタルサイト、バーミキュライト、レクトリライト、層状ケイ酸塩、金属酸化物。
装置： 主に化学反応器で、ターボミルなどの機械分散装置によって補完されます。
高エネルギー表面改質法
原理： 紫外線、赤外線、コロナ放電、プラズマ処理、電子ビーム照射、マイクロ波活性化などの高エネルギー処理により、粉末表面が改質されます。
例としては、PP 接着性を向上させるプラズマ処理炭酸カルシウム、分散性を向上させる赤外線グラフトカーボンブラック、ヒドロキシル含有量を高めたプラズマ活性化多孔質シリカなどが挙げられます。
制限事項: 技術的に複雑で、コストが高く、工業化が困難です。
適用可能な材料: 炭酸カルシウム、カーボンブラック、シリカ。
装置： 特殊な放射線装置。多くの場合、後処理の最適化のためにターボミルやピンミルと組み合わせて使用されます。
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— エミリー・チェン投稿
