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| 重晶石礦制備活性重晶石粉體的研究進展 |
| 來源：中國粉體技術網 更新時間：2015-09-09 14:07:04 瀏覽次數： |
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重晶石礦粉表面改性是根據高分子材料應用的需要，利用物理、化學等方法對重晶石礦粉的表面進行處理，有目的地改變粉體原來表面的物理化學性質，提高其與高分子材料分散性、親和性。重晶石礦粉改性中，改性劑的選擇會直接影響重晶石的改性效果，以及作為填料在高分子材料中的應用效果，因此改性劑的選擇對制備活性重晶石起著關鍵作用。在無機粉體改性中，改性劑可分為表面活性劑、偶聯劑、有機聚合物、不飽和有機酸、金屬氧化物及其鹽、超分散劑等。目前，在活性重晶石的制備中，常用的改性劑是表面活性劑、偶聯劑、金屬氧化物及其鹽等。
1 表面活性劑改性
根據表面活性劑活性基團的帶電性可以分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑。重晶石礦粉表面電性由粉體表面的荷電離子，在不同pH 值下，重晶石礦粉會帶不同電荷，當pH 小于等電點時，重晶石礦粉表面帶正電; 當pH大于其等電點時，表面帶負電。
改性后的重晶石礦粉，其表面因連接親油基，增加了顆粒與顆粒之間的空間位阻( 圖1) ，防止顆粒之間的相互接近，避免顆粒因碰撞聚沉，提高了在高分子材料中的分散性。
圖1 改性重晶石相互作用模型1.1 陰離子表面活性劑改性
在水中電離后起表面活性作用的部分是帶負電荷的表面活性劑稱為陰離子表面活性劑。硬脂酸是應用廣泛的陰離子表面活性劑，其分子的一端為長鏈烷基Ｒ，結構與聚合物結構相近，因此與聚合物基料有著良好的相容性; 分子的另一端為－COOH，可與無機礦粉發生物理、化學吸附。
未經改性的重晶石礦粉，由于其與橡膠界面的親和性差限制了其在橡膠中的應用，將改性后的重晶石礦粉填充到橡膠中，不僅能提高重晶石的附加值，降低橡膠材料的生產成本，又能為制備耐磨性、耐老化性及具有特殊硬度的新型橡膠材料提供技術參考。張德等將未改性和用硬脂酸改性的重晶石礦粉填分別充到丁苯橡膠中，發現其伸長率由150%增加到230%，其扯斷強度從1.58 MPa 提高到2.17 MPa; 當填充量為50% 時，用硬脂酸改性的重晶石礦粉比用金屬酸脂改性的韌性要好，而扯斷強度相當。
施利毅等在橡膠混煉過程中，在保持橡膠原有生產流程和配方不變的基礎上，添加1%～ 5%表面改性過的納米重晶石粉體，發現橡膠的耐磨性提高了1.6 倍左右。陳有雙等在高速攪拌機攪拌粉體時以滴加的方式加入硬脂酸，制成活性重晶石，用于補強橡膠。通過拉伸性能、硬度、耐磨性能的分析，活化重晶石用量在為30% 時，其拉伸強度為25 MPa，斷裂伸長率達到900%，橡膠復合材料的耐磨性能也有一定程度的提高。重晶石通過改性可以作為一種新型的橡膠補強材料，具有優異的補強效果及理想的加工特性。
作為油漆填料，改性后的重晶石礦粉必須與有機質油漆有良好的親和性，均勻分散在基體中; 同時能增加油漆的光澤度、附著力等，并具有良好的抗酸、抗堿性能。王威等利用硬脂酸對重晶石礦粉表面進行改性，改性重晶石超細粉在F03－1 紅酚醛調和漆中的應用實驗表明，其性能均能符合指標，與有機質油漆有良好的相容性，遮蓋力得到改善，可以代替價格昂貴的沉淀硫酸鋇，降低生產成本。改性后的重晶石礦粉作為油漆填料，不僅可以降低成本，還可以增加油漆的厚度、強度和耐久性。
1.2 陽離子表面活性劑改性
當重晶石粉體表面帶負電荷時，需采用陽離子表面改性劑，如甲基油酸氯化銨、雙十八烷基二甲基氯化銨、十二烷基三甲基溴化銨、十二烷基二甲基芐基氯化銨等。帶正電的活性基團與重晶石表面的負電荷反應，使礦粉表面連上長鏈烷基，增加顆粒之間的空間位阻，避免顆粒在碰撞過程中發生團聚，從而使重晶石粉體之間分散更好，同時長鏈烷基與高分子材料結構相似，兩者有很好的親和性。
李琳琳研究了陽離子表面活性劑十二烷基三甲基溴化銨( DTAB) 親油化改性納米重晶石的工藝及改性效果。研究結果表明，納米重晶石的表面吸附了大部分的DTAB，制備的活性的重晶石表面自由能降低，由親水性轉變為疏水性，并且在一定程度上提高了納米重晶石與液體石蠟油的相容性。
1.3 非離子表面活性劑改性
非離子表面活性劑中的親水基團和親油基團能分別與填料和高分子材料發生作用，加強二者聯系，從而提高體系的分散性和親和性。在制備活性重晶石時，單獨使用非離子表面活性劑，得到的效果并不佳。
張鳳仙等采用非離子表面改性的重晶石應用于油漆時，重晶石礦粉沉淀結塊。非離子表面活性劑作為輔助劑，與陰離子表面活性劑或陽離子表面活性劑搭配使用，能達到更好的改性效果。
2 偶聯劑改性重晶石
2.1 硅烷偶聯劑改性
硅烷偶聯劑是一類分子中同時含有兩種不同化學性質基團的有機硅化合物，能在有機高分子材料與無機材料之間架起一座“橋梁”，使兩種性質差異較大的材料產生一種良好的界面，牢固的結合在一起。
由硅烷偶聯劑進行表面改性的重晶石超細粉體作為高分子材料的填料，與高分子材料有良好的相容性和親和力，均勻分布在基體中。歐陽兆輝等研究發現，硅烷偶聯劑( WD － 60) 可以顯著改善重晶石礦粉的疏水性; 改性重晶石礦粉具有良好的流動性和分散性。陳有雙等將利用硅烷偶聯劑(Si69) 改性的重晶石礦粉添加到橡膠中，當改性重晶石礦粉用量為20%～ 30%時，重晶石/橡膠復合材料的拉伸強度最高達到25 MPa，斷裂伸長率達到700% ，且材料的耐磨性強。改性后重晶石礦粉具有優異的補強效果及理想的加工特性，可在橡膠中替代炭黑。
2.2 鈦酸酯改性
鈦酸酯偶聯劑是美國Kenrich 石油化學公司于20 世紀70 年代中期開發的新型偶聯劑，它對許多無機顆粒有良好的改性效果，按其化學結構可分為單烷氧基型、螯合型和配位型。胡春艷用單烷氧基型鈦酸酯L－4 改性的重晶石礦粉疏水性能提高，按照GB 5211.15－88 測定表明，改性后重晶石礦粉吸油量下降了15%。將改性后的重晶石礦粉添加到粉末涂料時，粉末涂料外觀平滑，光澤度高，可以提高粉末涂料的流平性、光澤度、機械性能等。
2.3 金屬氧化物及其鹽改性
重晶石表面電勢的高低不僅與表面吸附的H+、OH－ 有關，存在特性吸附時，還與吸附的金屬離子有關。存在特性吸附金屬陽離子時，正的表面電荷增加; 存在特性吸附陰離子時，表面電荷變得更負。
杭建忠等研究用氧化鋁水合物包覆層改性重晶石，并用硬脂酸對改性重晶石礦粉進行外層包覆，使粒子間的距離最短，有效的提高了納米重晶石粒子的分散性以及與聚合物的相容性。將制備的活性重晶石應用于卷涂層材料中，涂層耐鹽霧時間增加到1096 h，比空白涂層提高了20%。
重晶石礦粉表面通過化學共沉淀等方法，并經過相應的物理化學處理，將廉價的重晶石礦粉制成復合導電粉末。楊華明等以重晶石粉為基體，采用化學共沉淀技術，利用半導體摻雜原理表面包覆銻，摻雜二氧化錫制得重晶石復合導電粉末( SSB) 。研究發現SSB 添加量為20%～45%時，所制備的丙烯酸導電涂料的電阻率僅為10Ω·cm。將重晶石礦粉制成復合導電粉末，不僅可以降低導電粉末的制備成本，還可以拓寬重晶石的應用范圍，提高其經濟效益。
3 結語
重晶石是我國的優勢資源，產量豐富，市場上的重晶石產品主要是直接粉碎所得的粗產品，產品利用率低，價值不高。無機粉體將向超細化、活性化及晶體結構復雜化方向發展，將重晶石除雜增白—表面改性一體化，不僅可提高重晶石利用率，且可提高重晶石性能、使用價值和拓寬應用領域，并對相關應用領域如高分子材料的發展有重要的實際意義。開發簡便的改性工藝，研究價格相對低廉、無毒的表面改性劑，有利于促進重晶石加工的發展，有利于重晶石的綜合利用及提高我國重晶石礦粉在國際上的競爭力。
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