由于石英粉體表面的親水性,很難與有機高分子材料相容,為此需對其表面進行改性,使其表面性質由親水性變為疏水性,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。
1、石英表面改性原理
石英等硅酸鹽礦物經機械粉碎后,新生表面上產生游離基或離子,在外界條件作用下,表面產生Si-OH,Si-O-Si和Si-OH…H等幾種基團,易與外來的官能團發生鍵合,達到改性目的,為表面改性提供了基礎。
一般來說,石英粉體的顆粒越細,比表面積越大,表面活性羥基越多,越易進行化學反應,改性后效果更好。
2、石英表面改性方法
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、洗滌等過程中脫落,而且在應用中也無法過多增加產品性能。
機械力化學改性是對粉體機械粉碎,時期表面產生臨時活性點,降低表面改性活化能。
化學包覆改性是石英粉體表面改性最常用的方法,如偶聯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鍵,如偶聯劑的改性原理,偶聯劑水解產生硅醇基,與石英粉體表面的硅羥基脫水縮合,形成共價鍵。此法成本較低,改性效果高,且改性產品保持穩定性能時間較長。
3、石英表面改性工藝
(1)干法改性
在工業生產中大都采用機械力干法改性,在粉碎的同時噴入配置好的改性劑,可縮短工業流程,并且在粉碎過程中產生臨時活性點和高溫,有利于表面改性的進行,產品不需要脫水干燥。但是改性效果相比于濕法差距大,改性很難均勻化,局部高溫可能會破壞改性劑,對工藝過程不好控制。干法改性后石英粉體在工業應用中屬于粗級產品,廣泛應用于塑料、建材及橡膠等行業。
?。?)濕法改性
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。
(3)干-濕法結合改性
干-濕法結合改性過程中,對試劑加量和改性時間要求高,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。
4、石英表面改性劑
對石英粉體改性的改性劑主要有硅烷偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑等。
工業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)對石英粉體表面改性,這些改性劑價格低廉,工藝簡單,但改性效果一般,改性后屬于粗級產品。
硅烷偶聯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劑成本較低,改性較容易,但改性效果比硅烷偶聯劑差,原因在于硅烷偶聯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,不如硅烷偶聯劑改性后效果穩定。
用鋁酸酯和鈦酸酯偶聯劑對石英粉體改性時,偶聯劑的水解幾乎是不能加水的,否則很容易屏蔽偶聯劑,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。而如果硅烷偶聯劑不水解,則很難與石英粉體表面發生鍵合。
對二氧化硅粉體進行表面接枝改性可以增多對改性劑的選擇,有助于不同領域的應用效果,且對粉體包覆效果好,可減少對機械的磨損。但由于活性基團過多,對反應難以控制,應用于工業生產難度較大。
5、石英表面改性應用特點
對于不同應用領域,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,則無法吹膜,且薄膜的力學性能會大力下降。
改性劑不同,填充的聚合物也會不同,因為不同的化學基團結構相容程度差異較大。如帶有鏈烯基、氯烴基的偶聯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劑改性后則大量填充于橡膠中。
隨著科學技術的發展,石英粉體的改性技術會變得更行業化、更簡單高效。改性劑多能性會增強,適用范圍更廣,成本更低,改性效果更優異。
來源:馬宏相,陳榮芳,呂劍明.石英粉體表面疏水化改性及其研究進展[J].廣州化工,2014, (5):38-39.
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