天然的石英石、石英砂和粉石英是重要的工業(yè)礦物原料,被廣泛用于玻璃、鑄造、建筑材料、陶瓷、化工、冶金、耐火材料、磨料、填料等領(lǐng)域。由石英砂及其尾礦、粉石英等加工而成的硅微粉,作為塑料、橡膠、涂料等高分子材料的填料,在超細(xì)粉碎、提純、改性及其應(yīng)用方面越來越受到人們的重視。
近年來,隨著超細(xì)粉碎技術(shù)的不斷進(jìn)步,超細(xì)、超純、改性非金屬礦物填料應(yīng)用越來越廣泛。為了更好地使非金屬礦物填料與高分子聚合物融合,必須對非金屬礦物進(jìn)行粉碎、提純與改性。
超細(xì)粉碎：
一般來說,填料的粒徑越小,分散越均勻,則制品的力學(xué)性能越好。就粉碎而言,石英砂和粉石英的超細(xì)加工可采用的設(shè)備有干/濕球磨機(jī)、雷蒙磨、干/濕攪拌磨、氣流磨、干/濕振動(dòng)磨等,傳統(tǒng)的球磨機(jī)存在能耗大、產(chǎn)品粒徑大、對產(chǎn)品污染大等缺點(diǎn),但經(jīng)過改良的球磨機(jī)和大型分級機(jī)配套已成功地應(yīng)用于超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)。
雷蒙磨因其工作穩(wěn)定,產(chǎn)量大,已被普遍應(yīng)用于非金屬礦深加工,但用該設(shè)備加工的產(chǎn)品細(xì)度一般在300～400目之間,且產(chǎn)品的收集系統(tǒng)分離效果差,大量的細(xì)粉在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)而造成動(dòng)力的浪費(fèi),對于600目以上的微粉,其除塵器的能力很差;氣流磨的細(xì)度調(diào)整靈活,但能耗指標(biāo)較高,系統(tǒng)投資費(fèi)用高;濕法攪拌磨產(chǎn)品細(xì)度小,但細(xì)度調(diào)整欠靈活;球磨機(jī)和振動(dòng)磨加分級機(jī)系統(tǒng),產(chǎn)品粒徑小、系統(tǒng)調(diào)整靈活,可形成大規(guī)模生產(chǎn)。
對于硅微粉超細(xì)粉碎、提純和改性,國內(nèi)已做了大量的研究工作。張曉鐘等對石英砂超細(xì)粉碎粒度控制進(jìn)行了試驗(yàn),對利用振動(dòng)磨加工超細(xì)石英粉進(jìn)行了干濕工藝對比,認(rèn)為入料給料量及其均勻性、入料粒度配比對超細(xì)石英砂產(chǎn)品的粒度分布及成品率影響最大;濕式磨礦工藝比干式效率高,但介質(zhì)消耗大,因需烘干使總能耗升高;采用鋼性介質(zhì),干磨除鐵困難,濕式則有優(yōu)越性;調(diào)節(jié)振動(dòng)磨的介質(zhì)激振力、介質(zhì)配比、介質(zhì)填充量等,可以改變產(chǎn)品粒形。
郝保紅對粉石英的超細(xì)粉碎進(jìn)行了研究,試驗(yàn)表明,粉石英在干磨條件下的粉碎極限為1.28μm,在濕磨條件下粉碎極限為1.01μm。李化建等對用優(yōu)質(zhì)石英制備高純超細(xì)硅微粉進(jìn)行了工藝研究,采用振動(dòng)磨加分級機(jī)系統(tǒng),配合提純工藝,生產(chǎn)出了滿足電子電工級和涂料行業(yè)要求的硅微粉。
提純：
為了滿足制品的要求,超細(xì)后的硅微粉還要進(jìn)行提純,尤其是用于電子塑封料中的硅微粉,對雜質(zhì)要求較為嚴(yán)格,必須經(jīng)過提純才能達(dá)到要求。
在提純方面,孫成林等對利用硅石提純生產(chǎn)高純石英砂及硅微粉進(jìn)行了探討,對高純石英砂及硅微粉的生產(chǎn)提出了很好的建議。
湯亞飛對二氧化硅粉末浮選除鐵進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)表明,微細(xì)石英粉也可通過浮選進(jìn)行提純,采用六偏磷酸鈉作分散劑和浮選調(diào)整劑,十二胺作捕收劑,可從石英微細(xì)粉中除去鐵雜質(zhì),Fe2O3含量由0.09%下降到0.02%,產(chǎn)率達(dá)85%。充填式浮選柱操作簡單,單柱一次浮選即可獲得理想指標(biāo),適用于微細(xì)粉浮選。
表面改性：
由于非金屬礦物填料與高分子聚合物基質(zhì)的界面不同,相容性差,在基料中難以均勻分散,直接填充往往容易造成材料的某些力學(xué)性能下降,對于功能性無機(jī)非金屬礦物填料,除了粒度及粒度分布的要求外,還要與高分子聚合物的基料相容性好,填充后除降低成本外,還能增強(qiáng)材料的力學(xué)性能,提高材料的綜合性能和可加工性,因此必須對非金屬礦物填料進(jìn)行表面改性。
硅微粉表面改性主要使用硅烷偶聯(lián)劑,其通式為R—SiX3,R為有機(jī)疏水基,如乙烯基、環(huán)氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基,X為能水解的烷氧基,如甲氧基、乙氧基及氯等。當(dāng)用于硅微粉表面處理時(shí),硅烷偶聯(lián)劑分子中的X部分首先分解形成反應(yīng)性活潑的多羥基硅醇,然后與石英表面的羥基縮合而牢固結(jié)合,偶聯(lián)劑的另一端,即有機(jī)疏水基R與聚合物高分子長鏈纏結(jié),合為一體,從而改善了硅微粉與高分子材料間的相容性。
影響改性效果的主要因素有硅烷品種、用量及用法、處理時(shí)間、溫度、pH值等。余志偉對粉石英表面改性進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)證明,經(jīng)過硅烷改性的粉石英在環(huán)氧樹脂混合體系中粘度明顯降低,不僅改善填料與聚合物混合體系的加工工藝性能,獲得均勻混合料,而且可以增加填充量,降低生產(chǎn)成本,對于環(huán)氧樹脂絕緣封裝電器產(chǎn)品來說,顯著提高電器產(chǎn)品的熱電機(jī)械性能。通過測定改性粉石英對水滴的浸潤角、滲透時(shí)間和浸潤點(diǎn)與未改性粉石英對比,顯示了改性粉石英與有機(jī)聚合物有較好的相容性和親合性。
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