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| 石英粉體表面疏水化改性及其研究進(jìn)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-08-07 09:46:25 瀏覽次數： |
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石英的主要成分是SiO2，是地球上儲量豐富的礦產(chǎn)資源之一。由于具有穩定的物理和化學(xué)性能、無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染、強耐酸性、耐高溫、高耐濕、良好的透光性、抗輻射、低膨脹、低應力等性能，除應用于陶瓷、玻纖、保溫材料、耐火材料等，在塑料、橡膠、油漆涂料、電絕緣封裝材料等領(lǐng)域作為填料廣泛使用，以提高復合材料性能，降低成本。改性原理和改性方法是改性技術(shù)的基礎，改性劑的選擇、工藝設備及控制條件、產(chǎn)品檢測方法在改性過(guò)程中尤為重要。
1 改性原理
粉體表面改性的原理和方法是相互關(guān)聯(lián)的，改性原理決定著(zhù)改性的方法。由于石英粉體表面的親水性，很難與有機高分子材料相容，為此需對其表面進(jìn)行改性，使其表面性質(zhì)由親水性變?yōu)槭杷?，從而改善石英粉體粒子表面的浸潤性，使粉體粒子在有機化合物中更容易分散。
當前對石英粉體表面改性技術(shù)要求越來(lái)越高，提高改性效果同時(shí)降低成本。且在不同領(lǐng)域的應用中，對石英粉體的純度、粒度、白度及改性后效果等有不同要求。一般來(lái)說(shuō)，石英粉體的顆粒越細，比表面積越大，表面活性羥基越多，越易進(jìn)行化學(xué)反應，改性后效果更好?，F在關(guān)于納米二氧化硅表面改性研究報告越來(lái)越多。陳穎敏等分別采用硅烷偶聯(lián)劑KH－570、BYK－163 和鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ－201 對納米二氧化硅進(jìn)行表面改性，結果表明，KH－570 改性效果最好，用量為5%，反應30 min，對丙烯酸聚氨酯防腐涂料的各項性能均有較大提高。
石英等硅酸鹽礦物經(jīng)機械粉碎后，新生表面上產(chǎn)生游離基或離子，在外界條件作用下，表面產(chǎn)生Si－OH，Si－O－Si 和Si－OH…H 等幾種基團，易與外來(lái)的官能團發(fā)生鍵合，達到改性目的，為表面改性提供了基礎。在改性過(guò)程中，溫度，改性劑的選擇、用量及處理方法，改性工藝等是影響改性效果的主要因素。
2 改性方法及工藝
2. 1 改性方法
對石英粉體有機表面改性的方法很多，但僅靠物理吸附于石英粉體表面，不僅改性效果不好，易在攪拌、洗滌等過(guò)程中脫落，而且在應用中也無(wú)法過(guò)多增加產(chǎn)品性能。高能改性成本高，技術(shù)復雜，很難實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。機械力化學(xué)改性是對粉體機械粉碎，時(shí)期表面產(chǎn)生臨時(shí)活性點(diǎn)，降低表面改性活化能。如李建強等用硅烷偶聯(lián)劑KH－570 對石英砂改性，將改性劑、乙醇和水置于球磨機中干法改性，與濕法改性進(jìn)行比較?；瘜W(xué)包覆改性是石英粉體表面改性最常用的方法，如偶聯(lián)劑改性和聚合物接枝法改性。成鍵機理是與石英粉體表面形成共價(jià)鍵，如偶聯(lián)劑的改性原理，偶聯(lián)劑水解產(chǎn)生硅醇基，與石英粉體表面的硅羥基脫水縮合，形成共價(jià)鍵。此法成本較低，改性效果高，且改性產(chǎn)品保持穩定性能時(shí)間較長(cháng)。
2. 2 改性工藝
在工業(yè)生產(chǎn)中大都采用機械力干法改性，在粉碎的同時(shí)噴入配置好的改性劑，次法可以縮短工業(yè)流程，并且在粉碎過(guò)程中產(chǎn)生臨時(shí)活性點(diǎn)和高溫，有利于表面改性的進(jìn)行，產(chǎn)品不需要脫水干燥。但是改性效果相比于濕法差距大，改性很難均勻化，局部高溫可能會(huì )破壞改性劑，對工藝過(guò)程不好控制。干法改性后石英粉體在工業(yè)應用中屬于粗級產(chǎn)品，廣泛應用于塑料、建材及橡膠等行業(yè)。濕法改性是將石英粉體和改性試劑一起浸泡加熱，攪拌，脫水干燥，較干法工藝復雜，但改性效果好，一般應用于薄膜、涂料等高端行業(yè)。武江紅等用乙烯基三(β－ 甲氧基乙氧基) 硅烷對納米SiO2粒子進(jìn)行表面改性，將改性劑，改性助劑及粉體制成濾餅，80 ℃下烘干8 h，得到改性產(chǎn)品。干－濕法結合改性過(guò)程中，對試劑加量和改性時(shí)間要求高，出料后高溫烘干，試劑量多，石英粉體易聚集，量少則改性劑不易分散，改性效果差。
3 改性劑
對石英粉體改性的改性劑主要有硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑等。工業(yè)上常用脂肪酸和一些陽(yáng)離子表面活性劑( 如十六烷基三甲基溴化銨等) 對石英粉體表面改性，這些改性劑價(jià)格低廉，工藝簡(jiǎn)單，但改性效果一般，改性后屬于粗級產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑對石英粉體表面改性效果最好，但成本較高，鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑成本較低，改性較容易，但改性效果比硅烷偶聯(lián)劑差，原因在于硅烷偶聯(lián)劑與石英粉體表面的硅羥基縮水鍵合所需能量較高，而鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑中的Al3+、Ti3+ 半徑大，很容易與硅羥基締合，結合在石英粉體表面，較之Si－O－Si 鍵鍵級低，不如硅烷偶聯(lián)劑改性后效果穩定。
用鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑對石英粉體改性時(shí)，偶聯(lián)劑的水解幾乎是不能加水的，否則很容易屏蔽偶聯(lián)劑，形成乳狀物，在有機溶劑中溶解使用效果最好，如甲苯，丙酮等。而如果硅烷偶聯(lián)劑不水解，則很難與石英粉體表面發(fā)生鍵合。高正楠等用硅烷偶聯(lián)劑KH－550 對二氧化硅表面改性的研究中，用電導率測量和紅外光譜研究了硅烷偶聯(lián)劑KH－550 的水解工藝，結果表明采用水/乙醇混合溶劑，KH － 550 水解體積分數為15. 75%。
當前對二氧化硅粉體的表面接枝改性研究較廣泛，通過(guò)化學(xué)反應將聚合物鍵合在二氧化硅粉體表面，以聚合物所帶的多種活性基團，再次進(jìn)行化學(xué)反應。此法可以增多對改性劑的選擇，有助于不同領(lǐng)域的應用效果，且對粉體包覆效果好，可減少對機械的磨損。但由于活性基團過(guò)多，對反應難以控制，應用于工業(yè)生產(chǎn)難度較大。
改性劑支鏈越長(cháng)，由于空間位阻，對改性過(guò)程越不利。有研究證明偶聯(lián)劑復合改性的效果比單一改性效果要好，兩種偶聯(lián)劑相互纏繞交聯(lián)，使改性反應基團增多。如林金輝等人利用球磨機對粉石英進(jìn)行機械力化學(xué)改性，當硅烷偶聯(lián)劑KH－570與鋁酸酯偶聯(lián)劑DL－411 質(zhì)量比為1∶1，總用量為0. 7% 時(shí)，改性效果較單一改性好，且復合改性后，對填充在制品中的力學(xué)性能有很大提高。
4 發(fā)展趨勢
當前對改性的石英粉體粒度要求趨于超細化，納米石英粉體具有三維網(wǎng)狀結構，具有優(yōu)越的穩定性、增稠性、觸變性、電絕緣性、吸收性及削光性等性能，在眾多應用領(lǐng)域內獨具特性，有著(zhù)不可取代的作用，具有很好的發(fā)展前景。但極易團聚，表面有大量的活性點(diǎn)，易吸附各種原子和分子。由于具有良好的透光率和紅外線(xiàn)反射能力等，被大量應用于薄膜、涂料等領(lǐng)域中。但納米石英粉體的制備較之微米級成本高，市場(chǎng)需求大。
對于不同應用領(lǐng)域，對改性石英粉體的要求各有差異，如應用于塑料薄膜，則要求石英粉體粒度要求高，粒度太大，則無(wú)法吹膜，且薄膜的力學(xué)性能會(huì )大力下降。改性劑不同，填充的聚合物也會(huì )不同，因為不同的化學(xué)基團結構相容程度差異較大。如帶有鏈烯基、氯烴基的偶聯(lián)劑改性后石英粉體被大量填充于PE 中，被帶有多硫烴基的偶聯(lián)劑改性后則大量填充于橡膠中。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石英粉體的改性技術(shù)會(huì )變得更行業(yè)化、更簡(jiǎn)單高效。改性劑多能性會(huì )增強，適用范圍更廣，成本更低，改性效果更優(yōu)異。
5 結論
由于石英粉體的特性，在各行業(yè)的應用價(jià)值極高，未來(lái)將會(huì )在科技發(fā)展和社會(huì )生活中得到更好的開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)社會(huì )需求的增加，技術(shù)的發(fā)展。石英粉體粒徑會(huì )細小化，球形化。超細石英粉體的的制備技術(shù)會(huì )更合理，更經(jīng)濟，會(huì )大幅提高石英粉體本身的應用價(jià)值。隨著(zhù)生產(chǎn)設備的不斷提高，高端改性技術(shù)會(huì )日趨工業(yè)化，將極大拓寬其應用領(lǐng)域?？傊?，我國的石英粉體改性研究已經(jīng)取得重大成果，將來(lái)必在一些未知應用領(lǐng)域中大放異彩。
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