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1、塑料塔填料表面改性技术进展张近(陕西师范大学化学系,西安,710062)摘要:分析和讨论了塑料塔填料表面性能及其润湿条件,指出改变表面分子结构以增加极性与加大表面粗糙度而提高表面张力是改善塑料塔填料表面润湿性能的主要途径,并介绍了表面糙化、表面极化、表面接技及等离子体表面处理等表面改性技术。关键词:塔填料塑料填料表面改性塔填料作为填料塔的核心构件,提供了塔内气液两相接触而进行传质的表面,决定着塔的性能。塑料塔填料具有质地轻、耐腐蚀、不易破碎、加工方便、价格低廉等优点,目前被广泛使用。但研究和应用表明,塑料填料表面润湿性能差,液体在表面上易形成“溪流”或
2、“沟流”,使相际之间的有效传质面积减少,会降低填料塔的传质效果。据文献报道,塑料塔填料的有效润湿面积仅是同类型规格陶瓷填料的一半左右。因此,近20年来,国内外有许多研究者致力于改善塑料塔填料表面润湿性能的研究,开发出了各种表面改性技术。屏蔽作用亦降低了填料的润湿性。(3)聚烯烃结晶度高。高压聚乙烯的结晶度为65%～75%,中压聚乙烯为95%,低压聚乙烯为80%～90%,聚丙烯一般为40%～70%。由于聚乙烯、聚丙烯结晶性好,由其制作的塔填料化学稳定性好,这是塑料塔填料能广泛使用的原因之一。聚烯烃表面张力低。聚乙烯的临界表面(4)张力为31×10-3N/
3、m,聚丙烯的临界表面张力一般只有29×10-3N/m。材料表面张力低,接触角大,润湿性能差。(5)聚烯烃制品一般都很光滑,对表面的润湿和液膜的形成不利。塑料塔填料的润湿1塑料塔填料表面改性技术2影响填料润湿的因素有填料本身的性质(材质、尺寸、形状、排列方式等)、液相的性质(粘度、表面张力、密度等)及操作状况(喷淋密度、液体分布等)。涉及固-液界面现象和液体在固体表面上的流动行塑料塔填料极性小,表面光滑且自由能低,润湿性能差,不利于传质。要提高塑料填料塔的分离效果,应主要从改善填料表面分子结构以增加极性和加大表面粗糙度而提高表面张力两方面入手。为1。就一
4、定类型规格的塑料塔填料的润湿而言,塑料材质的表面形态成为关键。塑料塔填料主要为聚乙烯、聚丙烯等材料,其表面性能与聚烯烃材料的化学结构和成型加工条件有211表面糙化Wenzel3指出,对一定几何面的塑料塔填料表面糙化,可提高其真实表面积,有益于传质。同时,粗糙表面的接触角变小,有利润湿。21111表面压纹法将用于塑料塔填料成型的模具内部刻上沟槽或花纹,用这种模具生产的填料表面带有相应的沟槽和花纹,可使其表面粗糙度有明显增加。国内也有关2。(1)聚烯烃是极性高分子材料。聚乙烯分子不带任何极性基因。聚丙烯分子中每一个结构单元有一个甲基,但甲基为很弱的极性基因
5、,所以聚丙烯也属于非极性高分子。非极性高分子材料,对极性物系润湿性差,不易形成液体膜层。(2)聚烯烃本身含有的低分子量物质以及填料加工成型过程中加入的某些添加剂,很容易析出而汇集于聚烯烃表面,形成强度很低的薄弱界面层。此层为无定形态,使塑料填料表面趋于“平滑”,润湿性能变差。另外,若该薄弱界面层为低表面能类,其收稿日期:1998-07-22。作者简介:张近,男,40岁,陕西师范大学化学系化工教研室主任,副教授。主要从事化工分离和化工新材料的研究,发表论文40多篇,出版著作2本,承担国家教育部项目1项。·52·现代塑料加工应用第11卷第2期个别厂家采用机
6、械打毛方法对塑料填料进行类似处理。表面压纹法简单易行,宜于推广。21112溶剂糙化法用溶剂浸渍塑料塔填料表面,可选择性地洗去表面层的低分子量成分和各种塑料添加剂,除掉无定形的弱界面层,使微小的凹凸不平显露出来。选用溶剂时要考虑其溶解性和蒸发速度,对聚烯烃类填料可采用氯代烃类和萘烷等高沸点溶剂处理。用接触角测定仪测出液体在溶剂糙化处理后的聚丙烯填料上的接触角,再用Zisman4法作coθs～σL图,外推至coθs=1处,可得到聚丙烯的临界表面张力,如图1所示。可见,溶剂糙化后,聚丙烯的临界表面张力可提高20%左右。21113化学糙化法将塑料塔填料浸入含氧
7、酸等类化学腐蚀液中,亦可将其表面上的弱界面层除去而得以糙化。用电子显微镜观察聚丙烯填料经铬酸和硫酸混合液处理的粗糙度变化情况,只要浸入100s,表面便会生成直径为012～0.5μm、深为011μm的小孔5。化学糙化法与溶剂糙化法处理塑料填料,所得润湿性能接近,前者略优6。氧化,在表面层生成羰基、羟基、烷基硫酸酯或羧基等极性基团。液相化学法十分简单,只需将塑料填料浸入处理液中一定时间,然后取出用水冲洗、干燥即可。决定该法表面处理效果的主要因素有处理液配方、处理时间和温度及塑料种类等。文献报道5,将聚丙烯和聚乙烯两种塑料填料在重铬酸钾7份、硫酸150份、水
8、12份的溶液中处理,可得到不同时间和温度下的处理结果,如下表所示。一般来说,处理时间长,处理效
