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石英粉體表面改性技術(shù)的研究現(xiàn)狀

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發(fā)表時(shí)間:2019-08-10 08:42

由于石英粉體表面的親水性,很難與有機(jī)高分子材料相容,為此需對(duì)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(rùn)性,使粉體粒子在有機(jī)化合物中更容易分散。

1、改性原理

一般來說,石英粉體的顆粒越細(xì),比表面積越大,表面活性羥基越多,越易進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),改性后效果更好。石英等硅酸鹽礦物經(jīng)機(jī)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(tuán),易與外來的官能團(tuán)發(fā)生鍵合,達(dá)到改性目的,為表面改性提供了基礎(chǔ)。在改性過程中,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

對(duì)石英粉體有機(jī)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、洗滌等過程中脫落,而且在應(yīng)用中也無法過多增加產(chǎn)品性能。高能改性成本高,技術(shù)復(fù)雜,很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。機(jī)械力化學(xué)改性是對(duì)粉體機(jī)械粉碎,使其表面產(chǎn)生臨時(shí)活性點(diǎn),降低表面改性活化能。化學(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發(fā)改性。成鍵機(jī)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(wěn)定性能時(shí)間較長(zhǎng)。

3、改性工藝

工業(yè)生產(chǎn)中大都采用機(jī)械力干法改性,在粉碎的同時(shí)噴入配置好的改性劑,此法可以縮短工業(yè)流程,并且在粉碎過程中產(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(duì)工藝過程不好控制。干法改性后石英粉體在工業(yè)應(yīng)用中屬于粗級(jí)產(chǎn)品,廣泛應(yīng)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(fù)雜,但改性效果好,一般應(yīng)用于薄膜、涂料等高端行業(yè)。

機(jī)械化學(xué)與化學(xué)包覆復(fù)合改性工藝是指在機(jī)械力作用或細(xì)磨、超細(xì)磨過程中添加改性劑,隨著石英砂粉體粒度減小的同時(shí),對(duì)其顆粒進(jìn)行表面改性的工藝。這種復(fù)合改性工藝的特點(diǎn)是工藝較簡(jiǎn)易,某些改性劑同時(shí)具有助磨作用,提高粉碎效率,但是其溫度難控制,同時(shí)顆粒不斷被粉碎,產(chǎn)生新的表面,改性劑包覆難以均勻,此外,粉碎設(shè)備在強(qiáng)烈機(jī)械力作用過程中產(chǎn)生局部高溫,可使部分改性劑分解或分子結(jié)構(gòu)被破壞。

干燥與化學(xué)包覆復(fù)合改性工藝是指在濕粉體干燥過程中添加改性劑,即脫水與粉體表面改性同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合工藝。其工藝干燥溫度較高(200℃以上)。

4、改性劑

對(duì)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離子表面活性劑(如十六烷基三甲基溴化銨等)對(duì)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(jí)產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑對(duì)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。

5、改性效果評(píng)價(jià)

(1)潤(rùn)濕性評(píng)價(jià):主要包括活化指數(shù)、吸油值等指標(biāo)?;罨笖?shù)是衡量礦物粉體疏水化改性效果的重要指標(biāo),活化指數(shù)越大,說明疏水化改性效果越好。吸油值是無機(jī)粉體改性最主要的直接指標(biāo)之一,特別是對(duì)于在高聚物基料中應(yīng)用的無機(jī)填料,填料吸油值大小會(huì)直接影響復(fù)合材料的加工性能以及填充量。吸油值越大,改性產(chǎn)物與有機(jī)物的相容性越差,同時(shí)也表明了改性效果越差,反之越好。

(2)紅外光譜:紅外光譜作為檢測(cè)粉體表面是否有有機(jī)改性劑覆蓋的重要手段。每一種官能團(tuán)或鍵在紅外譜圖中有相應(yīng)的特征吸收峰,通過對(duì)改性前后的粉體進(jìn)行紅外光譜分析,對(duì)比特征峰的變化,就可看出改性是否有效,此方法已在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。

(3)掃描電鏡(SEM):對(duì)改性前后的粉體進(jìn)行電鏡掃描,觀察粉體的表面形貌以及改性劑在其表面的包覆情況、分散性的變化,直接反映粉體改性表面包覆的效果。

小結(jié):

當(dāng)前對(duì)改性的石英粉體粒度要求趨于超細(xì)化,納米石英粉體具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因而在眾多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性,有著不可取代的作用,具有很好的發(fā)展前景。隨著生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新,高端改性技術(shù)會(huì)日趨工業(yè)化,將極大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。


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