石英砂是一種用途非常廣泛的非金屬礦物,是近百種工業產品的原料,由于其良好的耐熱、耐腐蝕、資源豐富、價格低廉等優點,廣泛用于玻璃工業、填料領域及生產金屬硅、鑄造業、有機硅化合物。隨著石英砂應用領域的擴大,對石英砂表面性質特征需求也不斷的提高,因此,研究石英砂表面改性工藝,對于擴大石英砂的應用領域尤其是在高科技產品中的應用具有重要的意義。
石英砂的表面改性,根據用途不同,可以分為二種:一是以提高石英砂機械性能的涂覆改性,如樹脂覆膜的精細鑄造砂、油井濾油砂等,其特點是涂層本身只含一層覆蓋層,涂層與礦物之間不產生任何化學鍵;二是以提石英粉與樹脂或高聚物基料相容性的表面化學改性,如用橡膠和塑料的填料,其特點是表面改性劑或覆蓋劑與礦粒之間有化學吸附作用。
表面涂覆改性:
殼型鑄造砂是鑄造工業中用來生產高光潔度產品的一種技術,產品不需進行機械精加工。這種技術能在大規模的生產中采用,因為它除能生產優質的鑄造表面外,還具有生產速度高、再現性好的特點。為了得到光滑的加工面,鑄膜用表面涂有酚醛樹脂或呋喃樹脂的細砂粒制成。 選用不同的涂料可以制成各種品級的涂覆樹脂砂。這種樹脂砂既能獲得高的熔膜鑄造速度,又能保持模具和模芯生產中得到高抗卷殼和抗開裂性能。
樹脂涂層覆膜砂的加工方法可分為熱法和冷法二種。在涂覆前應對石英砂進行沖洗、擦洗和干燥。
冷法覆膜砂是在室溫下制備。先將粉狀樹脂與砂混勻,然后加入溶劑(工業酒精、丙酮或糠醛),再繼續混碾至溶劑揮發完,干燥后經粉碎和過篩后即得產品。但此法有機溶劑用量大,僅用于小量生產。
熱法覆膜是將砂子加熱進行涂覆。先將石英砂加熱到120~160°C,而后與樹指在混砂機中混勻(樹脂酸用量為石英砂用量的2~5%)。這時樹脂砂被熱炒軟化,包覆在砂粒表面,隨著溫度降低而變粘,此時加入烏洛托品分布在砂粒表面,并使砂激冷(烏洛托品作為催化劑可在殼模形成時使樹脂固化),再加入硬脂酸鈣(防止結塊)混合后出砂,然后粉碎、過篩、冷卻后即得產品。此法效果好,適合大量生產。但工藝較復雜,需要專門的混砂設備。
表面化學改性:
用于橡膠、塑料填料的石英粉,必須使其表面與聚和物基料相容,以使填充材料獲得最佳的性能和最好的可加工性,這就需要對石英粉表面進行表面化學改性。
石英粉的表面化學改性主要使用硅烷偶聯劑,所用的各種硅烷包括氨基、環氧基、三甲基、甲基和乙烯基硅烷。硅烷偶聯劑的—RO官能團水解產生硅醇基,這一基團可與SiO2進行化學吸附或與表面原有的硅醇基結合為一體,成為均相體系。這樣既除去了SiO2表面的水分,又與其中的氧原子形成硅醚鍵,從而使偶聯劑的另一端所攜帶的高分子聚合物具有很好的親和性的有機官能團—R¢牢固覆蓋在石英粉體表面,形成具有反應活性的包覆膜。有機官團—R¢能降底石英的表面能,改善與高聚物基料的潤濕性,提高石英粉與高聚物基料的相容性。此外,這種新的界面曾還可改善填充覆合體系的流變性能。
影響石英粉表面化學改性效果的主要因素有:硅烷偶聯劑的品種、用量、用法及處理時間和處理溫度、PH值等。
表面化學改性工藝有濕混合法和干混合法二種。
濕混合法:利用適當的稀釋液和助劑與硅烷偶聯劑強制混合配成處理液,對石英粉進行浸泡,然后脫去水分。
干混合法:加入少量稀釋液與硅烷配成處理劑,在高速攪拌、分散和一定溫度條件下,將處理劑以噴霧狀加入石英粉中,經攪拌處理一定時間后出料。此法不需要再脫水干燥。
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