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石英粉体表面改性技术的研究现状


来源:中国粉体网   平安

[导读]  当前对改性的石英粉体粒度要求趋于超细化,纳米石英粉体具有三维网状结构,因而在众多应用领域内独具特性,有着不可取代的作用,具有很好的发展前景。

中国粉体网讯  由于石英粉体表面的亲水性,很难与有机高分子材料相容,为此需对其表面进行改性,使其表面性质由亲水性变为疏水性,从而改善石英粉体粒子表面的浸润性,使粉体粒子在有机化合物中更容易分散。



1、改性原理

一般来说,石英粉体的颗粒越细,比表面积越大,表面活性羟基越多,越易进行化学反应,改性后效果更好。石英等硅酸盐矿物经机械粉碎后,新生表面上产生游离基或离子,在外界条件作用下,表面产生Si-OH,Si-O-Si和Si-OH···H等几种基团,易与外来的官能团发生键合,达到改性目的,为表面改性提供了基础。在改性过程中,温度,改性剂的选择、用量及处理方法,改性工艺等是影响改性效果的主要因素。

2、改性方法

对石英粉体有机表面改性的方法很多,但仅靠物理吸附于石英粉体表面,不仅改性效果不好,易在搅拌、洗涤等过程中脱落,而且在应用中也无法过多增加产品性能。高能改性成本高,技术复杂,很难实现工业化生产。机械力化学改性是对粉体机械粉碎,使其表面产生临时活性点,降低表面改性活化能。化学包覆改性是石英粉体表面改性最常用的方法,如偶联剂改性和聚合物接枝法改性。成键机理是与石英粉体表面形成共价键,如偶联剂的改性原理,偶联剂水解产生硅醇基,与石英粉体表面的硅羟基脱水缩合,形成共价键。此法成本较低,改性效果高,且改性产品保持稳定性能时间较长。

3、改性工艺

工业生产中大都采用机械力干法改性,在粉碎的同时喷入配置好的改性剂,此法可以缩短工业流程,并且在粉碎过程中产生临时活性点和高温,有利于表面改性的进行,产品不需要脱水干燥。但是改性效果相比于湿法差距大,改性很难均匀化,局部高温可能会破坏改性剂,对工艺过程不好控制。干法改性后石英粉体在工业应用中属于粗级产品,广泛应用于塑料、建材及橡胶等行业。湿法改性是将石英粉体和改性试剂一起浸泡加热,搅拌,脱水干燥,较干法工艺复杂,但改性效果好,一般应用于薄膜、涂料等高端行业。

机械化学与化学包覆复合改性工艺是指在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加改性剂,随着石英砂粉体粒度减小的同时,对其颗粒进行表面改性的工艺。这种复合改性工艺的特点是工艺较简易,某些改性剂同时具有助磨作用,提高粉碎效率,但是其温度难控制,同时颗粒不断被粉碎,产生新的表面,改性剂包覆难以均匀,此外,粉碎设备在强烈机械力作用过程中产生局部高温,可使部分改性剂分解或分子结构被破坏。
 

干燥与化学包覆复合改性工艺是指在湿粉体干燥过程中添加改性剂,即脱水与粉体表面改性同时进行的复合工艺。其工艺干燥温度较高(200℃以上)。
 

4、改性剂

对石英粉体改性的改性剂主要有硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂等。工业上常用脂肪酸和一些阳离子表面活性剂(如十六烷基三甲基溴化铵等)对石英粉体表面改性,这些改性剂价格低廉,工艺简单,但改性效果一般,改性后属于粗级产品。硅烷偶联剂对石英粉体表面改性效果最好,但成本较高,铝酸酯和钛酸酯偶联剂成本较低,改性较容易,但改性效果比硅烷偶联剂差。

5、改性效果评价

(1)润湿性评价:主要包括活化指数、吸油值等指标。活化指数是衡量矿物粉体疏水化改性效果的重要指标,活化指数越大,说明疏水化改性效果越好。吸油值是无机粉体改性最主要的直接指标之一,特别是对于在高聚物基料中应用的无机填料,填料吸油值大小会直接影响复合材料的加工性能以及填充量。吸油值越大,改性产物与有机物的相容性越差,同时也表明了改性效果越差,反之越好。

(2)红外光谱:红外光谱作为检测粉体表面是否有有机改性剂覆盖的重要手段。每一种官能团或键在红外谱图中有相应的特征吸收峰,通过对改性前后的粉体进行红外光谱分析,对比特征峰的变化,就可看出改性是否有效,此方法已在实践中得到广泛的应用。

(3)扫描电镜(SEM):对改性前后的粉体进行电镜扫描,观察粉体的表面形貌以及改性剂在其表面的包覆情况、分散性的变化,直接反映粉体改性表面包覆的效果。

小结:

当前对改性的石英粉体粒度要求趋于超细化,纳米石英粉体具有三维网状结构,因而在众多应用领域内独具特性,有着不可取代的作用,具有很好的发展前景。随着生产设备的不断更新,高端改性技术会日趋工业化,将极大拓宽其应用领域。

参考资料:

马宏相等.石英粉体表面疏水化改性及其研究进展

汪本高.石英砂提纯工艺及表面改性研究

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