我國非金屬礦的加工及應(yīng)用技術(shù)已在快步的發(fā)展，煤系煅燒高嶺土作為填料或功能性填料在涂料、橡膠、塑料等高分子制品中得到了很好的應(yīng)用。煤系煅燒高嶺土不僅可以降低有機高分子制品的成本，更主要的是能夠提高產(chǎn)品的部分性能，使產(chǎn)品的質(zhì)量有所提高。但是由于煤系煅燒高嶺土與有機高分子材料基質(zhì)的界面性質(zhì)是有所不同的，由此可造成親合性差，使之影響到煅燒高嶺土在有機高分子材料中的分散和交聯(lián)等作用，從而導(dǎo)致有機高分子制品的力學(xué)性能及其它部分性能的下降，因此要對煅燒高嶺土進行表面改性。
對煅燒高嶺土表面改性的目的是要改變高嶺土粉體界面的性質(zhì)，改善煅燒高嶺土與有機高分子材料的親合性，提高在有機高分子材料中的分散性，增強制品的多種性能，起到功能性的作用，增加煅燒高嶺土的填加量，提高產(chǎn)品檔次，降低制品的成本。所以說煅燒高嶺土的表面改性是一項非常重要的深加工手段，并且也是擴大煅燒高嶺土應(yīng)用領(lǐng)域和提高有機高分子制品質(zhì)量的一條十分有效的途徑。
1 煤系高嶺巖的特征
煤系高嶺巖主要是由高嶺石及炭質(zhì)等組成。礦石一般為灰色——灰黑色，塊狀構(gòu)造，殼狀斷口，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，蠕蟲狀晶體、結(jié)晶有序度高。是我國北方石炭，二疊煤層中夾有的一種高嶺巖的煤石。這種高嶺巖與煤層具有一定的成因關(guān)系，一般厚度可達0.3~1.5米，而且有的礦段可出現(xiàn)數(shù)層。
這已成為我國的一種獨特的高嶺土資源，并且已在高嶺土工業(yè)中占有舉足輕重的地位。
高嶺巖經(jīng)過粉碎，超細及不同條件的煅燒，可以得到不同用途的煅燒高嶺土，其中煅燒是極為重要的一個環(huán)節(jié)。高嶺巖的煅燒過程是：在110℃時，排除吸附水；110℃~400℃時，排除層間水；500℃~600℃時，發(fā)生分解；從600℃開始，形成偏高齡石；925℃~1050℃時，形成鋁硅尖晶石；1300℃時，就構(gòu)成了莫來石。
在高嶺巖煅燒過程中，晶體結(jié)構(gòu)的變化，化學(xué)活性的改變，是與煅燒溫度、結(jié)晶有序度、伴生組份的種類和煅燒氣氛等有著密切的關(guān)系。對于高嶺巖的煅燒溫度并非愈高愈好，而是要根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇不同的煅燒溫度。如電纜用的改性煅燒高嶺土，應(yīng)選擇結(jié)晶有序度高的礦石，使其有較高的脫羥溫度，較長時間的脫羥過程，在一定的溫度和條件中煅燒，才可得到較高化學(xué)活性的電纜用煅燒高嶺土。
2 煅燒高嶺土的表面改性
煅燒高嶺土的表面改性，是根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地將其表面原有的物理及化學(xué)性質(zhì)進行改變。即是利表面化學(xué)的方法，將有機物分子中的官能團在高嶺土顆粒表面產(chǎn)生吸附作用或化學(xué)反應(yīng)，對其顆粒表面進行包覆，使高嶺土的表面有機化，達到改性的目的。
煅燒高嶺土表面性質(zhì)的改變，是依靠各種表面改性劑在其顆粒的表面進行包覆等實現(xiàn)的。所以表面改性劑的選擇和應(yīng)用是高嶺土表面改性的關(guān)鍵技術(shù)，同時表面改性的工藝和設(shè)備也是表面改性技術(shù)很重要的部分。
2.1 表面改性機理
煅燒高嶺土與有機高分子材料的結(jié)合，實質(zhì)上在于兩者的界面能否具有良好的結(jié)合。經(jīng)表面改性的煅燒高嶺土分散到有機高分子材料中，在該區(qū)域中有機高分子材料—改性劑—煅燒高嶺土間可以產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合到一起，使煅燒高嶺土與有機高分子材料間產(chǎn)生一種具有特殊功能的“分子橋”，這一“橋梁”的作用就主要取決于表面改性劑。
煅燒高嶺土表面改性使用的表面改性劑，一般選擇的是以硅烷偶聯(lián)劑類為主體的改性劑。
硅烷偶聯(lián)劑的分子式為RsiXn，其中Xn是水解基團，一般是烷氧基，這類基團水解后生成SiOH，可與煅燒高嶺土顆粒表面產(chǎn)生化學(xué)物理反應(yīng)，形成氫鍵，并縮合成共價鍵。由于氫鍵和共價鍵是遠比范德華力強的界面作用力，而且硅烷偶聯(lián)劑與煅燒高嶺土粉體間的界面總鍵能要遠遠高出單一純度的物理吸附，因此呈現(xiàn)出對煅燒高嶺土粉體界面有很強的附著力， 在此期間硅烷各分子間的SiOH相互縮合，齊聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜，覆蓋在高嶺土粉體顆粒的表面，并外露有R反應(yīng)活性的官能團。這些反應(yīng)活性官能團可與有機高分子材料等發(fā)生鍵合作用，以使煅燒高嶺土與有機高分子基料之間產(chǎn)生強有力的交聯(lián)，形成牢固的化學(xué)鍵。所以表面改性劑的選擇也是煅燒高嶺土表面改性中十分重要的一環(huán)。
2.2 表面改性劑的選擇
在選擇表面改性劑時，應(yīng)根據(jù)高嶺土所需要填到加有機高分子材料及制品的配方、加工工藝等技術(shù)性能的要求，選擇不同的改性劑和助劑。煅燒高嶺土的表面改性，一般主要選擇硅烷偶聯(lián)劑。對特殊要求的高分子制品，要選擇兩種或兩種以上的改性劑，配制成復(fù)合類的表面改性劑。也可根據(jù)材料的性能和技術(shù)要求等，分別加入一定量的助劑或其它改性劑，配合硅烷偶聯(lián)劑對煅燒高嶺土進行有效的表面改性，使煅燒高嶺土的產(chǎn)品性能和質(zhì)量能達到更高的要求。一般表面改性劑的用量為0.3%~1.0%。
2.3 表面改性工藝
根據(jù)煅燒高嶺土表面改性的機理，對其進行表面改性。首先要對煅燒高嶺土進行加熱，以便與硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)，并且要求對高嶺土在動態(tài)的狀況下保持一定的溫度。只有這樣才能把反應(yīng)過程中及反應(yīng)后多余的水脫除，以達到偶聯(lián)劑與高嶺土形成穩(wěn)定和牢固的共價鍵結(jié)合。由此一定要根據(jù)表面改性的機理來確定表面改性的工藝。
煅燒高嶺土在表面改性過程中，是要在一定的溫度下進行反應(yīng)的。所以，首先就對煅燒高嶺土進行動態(tài)加熱到一定的溫度（100℃）時，在其高速動態(tài)的狀況下，加入水解后的硅烷偶聯(lián)劑或復(fù)合改性劑，最好以霧化法加入。在偶聯(lián)劑與高嶺土反應(yīng)過程中的溫度應(yīng)保持在120℃以內(nèi)，在高速動態(tài)的狀況下，保持的時間，應(yīng)在3~5分鐘左右，不同的反應(yīng)時間其表面活化度是不同的（如表1）。
另外表面改性劑與高嶺土反應(yīng)過程中，經(jīng)常產(chǎn)生假結(jié)顆粒，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來很在的影響，所以必須進行有效的分級，只有這樣才能完全保證產(chǎn)品的質(zhì)量。表面改性工藝如圖2。
2.4 煅燒高嶺土表面改性設(shè)備
表面改性設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)煅燒高嶺土的表面改性機理所確定的工藝為基準，選擇和配套表面改性機組。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的表面改性設(shè)備種類比較少，而且對超細煅燒高嶺土的表面改性效果也不十分理想。不管用什么樣的表面改性設(shè)備，都要以表面改性的機理和表面改性的工藝為依據(jù)，來滿足煅燒高嶺土表面改性工藝的技術(shù)要求。應(yīng)要求表面改性設(shè)備能在高速動態(tài)狀況下加熱到100℃以上，并能保溫，可排除水蒸氣，表面改性劑可以分加，有分級的功能，解決表面改性的團聚問題，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
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