粉石英礦是一種天然產(chǎn)出的粉狀石英礦物，顆粒為近等軸狀六角多面體形。由于經(jīng)受地表長期的風(fēng)化淋濾作用，顆粒表面產(chǎn)生不同程度的洼坑，形成粗糙的顆粒表面特征。顆粒棱邊和頂角也已磨蝕和鈍化，使顆粒具有球度高（三軸近相等）、圓度低（具棱邊）的準(zhǔn)球形特點(diǎn)。
粉石英通過表面改性，可改善其與有機(jī)聚合物的親和性、相容性以及加工流動(dòng)性和分散性，提高與聚合物相界面之間的結(jié)合力，使復(fù)合材料的綜合性能得到顯著提高，并增加填充量，降低生產(chǎn)成本。
01粉石英表面改性劑
粉石英常用的表面改性試劑主要為偶聯(lián)劑。通常認(rèn)為用硅烷偶聯(lián)劑（KH-550，KH-560，KH-570等）進(jìn)行改性能獲得較好的效果，也可用鈦酸酯、鋁酸酯或磷酸酯偶聯(lián)劑等。
02粉石英表面改性方法
粉石英表面改性的方法主要有濕法和干法兩種。濕法工藝較復(fù)雜，成本高，工業(yè)化生產(chǎn)很少采用；干法工藝不需后處理，成本低，是礦物填料表面改性的主要方法。
對(duì)于干法工藝，一般是先將粉石英填料加入到改性設(shè)備中進(jìn)行預(yù)熱干燥，在預(yù)熱過程中加入改性助劑，調(diào)整粉石英表面電位，使偶聯(lián)劑能更好地與粉石英表面產(chǎn)生化學(xué)鍵合，然后加入偶聯(lián)劑在一定的工藝條件下進(jìn)行改性。
在使用偶聯(lián)劑前需要預(yù)先稀釋，這樣可以獲得更好的改性效果。由于在改性過程中會(huì)產(chǎn)生一些聚合顆粒，必須除去，否則會(huì)影響改性產(chǎn)品的質(zhì)量和應(yīng)用效果。
03粉石英表面改性工藝條件
工藝條件是影響粉石英改性效果的重要因素。工藝條件主要包括偶聯(lián)劑及改性助劑用量、改性溫度、改性時(shí)間及攪拌速度等。
（1）改性劑用量
對(duì)于偶聯(lián)劑，并不是用量越大越好，通常只要偶聯(lián)劑能夠在填料顆粒表面形成單分子層包覆，就能獲得理想的改性效果。隨偶聯(lián)劑用量的增加，活性粉石英的粘度逐漸降低，且粘度變化逐漸趨于平緩。
因此認(rèn)為，偶聯(lián)劑用量低于1.2%時(shí)，偶聯(lián)劑在表面未能形成完全包用鋁酸酯對(duì)粉石英進(jìn)行表面改性的研究表明，鋁酸酯用量達(dá)1.2%時(shí)，其粘度幾乎不隨偶聯(lián)覆，而超過1.2%用量時(shí)，偶聯(lián)劑在粉石英填料表面形成多分子層包覆，反而影響改性效果。
改性助劑在粉石英表面改性中的作用主要是調(diào)節(jié)粉石英表面的pH值，增加表面的羥基數(shù)量，以提高表面的電負(fù)性，使之與偶聯(lián)劑的電荷差最小，從而改善粉石英表面與硅烷偶聯(lián)劑的作用活性，提高改性效果。助劑加入量為0.5‰～1.0‰可獲得較好的改性效果。
（2）改性溫度
適當(dāng)?shù)母男詼囟瓤梢源龠M(jìn)二氧化硅表面的硅醇基與硅烷偶聯(lián)劑表面的硅醇基發(fā)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵合反應(yīng)，從而提高粉石英的改性效果。但溫度過高易使硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生分解、揮發(fā)或炭化，且對(duì)設(shè)備要求較高，增加成本；溫度過低不僅反應(yīng)時(shí)間較長，而且影響包覆率。采用100～140℃的溫度范圍，改性效果較好。
（3）改性時(shí)間
適當(dāng)延長改性時(shí)間對(duì)提高改性效果是有利的。一般說來，改性溫度越高，攪拌速度越快，所需的時(shí)間較短。當(dāng)改性時(shí)間延長到20min時(shí)，改性效果最佳，但再延長時(shí)間，改性效果變化不大，甚至有可能降低（因強(qiáng)烈機(jī)械作用，如摩擦、剪切力等會(huì)導(dǎo)致局部解吸）。
改性時(shí)間一定時(shí)，提高攪拌速度有利于改善偶聯(lián)劑的分散效果，使其在粉石英表面充分包覆，提高改性效果。如試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌速度增加到900r/min時(shí)，改性效果最佳，但攪拌速度達(dá)到1400r/min時(shí)，改性效果反而降低。其原因可能是由于過度的攪拌速度，強(qiáng)烈的摩擦和剪切作用力使包覆在粉石英表面的偶聯(lián)劑脫附，從而導(dǎo)致改性效果變差。
04粉石英改性效果評(píng)價(jià)
粉石英改性主要通過改變填料對(duì)有機(jī)聚合物的相容性，以達(dá)到降低填料-聚合物混合體系的粘度，增加填充量，改善填料在聚合物中的浸潤性和分散性，消除化學(xué)和機(jī)械破壞點(diǎn)及提高制品物理力學(xué)性能的目的。因此，通常把粘度和浸潤性作為粉石英改性效果的主要技術(shù)指標(biāo)。另外，還可用活化指數(shù)、紅外光譜等方法來評(píng)價(jià)粉石英的改性效果。
（1）粘度
粉石英主要用做橡膠、塑料等有機(jī)聚合物的填料。通常，改性填料添加到聚合物后，與未改性填料所得到的混合物相比，其粘度會(huì)顯著降低。在相同試驗(yàn)條件下，與未改性粉石英相比，當(dāng)填料量∶環(huán)氧樹脂量≥2.0:1時(shí)，混合體系的粘度明顯下降，且對(duì)不同偶聯(lián)劑改性的粉石英，粘度下降幅度不同。
（2）浸潤性
浸潤性包括滲透時(shí)間、浸潤角、浸潤點(diǎn)（吸油率）等指標(biāo)，是衡量填料與聚合物之間相容性好壞的主要指標(biāo)之一。浸潤性好的填料，在聚合物中的流動(dòng)性好，易于分散，混料容易且均勻，不易出現(xiàn)聚合顆粒。通常改性后的粉石英對(duì)水滴的滲透時(shí)間變長，浸潤角變大，由親水性變?yōu)槭杷裕蓸O性變?yōu)榉菢O性；對(duì)油滴的滲透時(shí)間變短，浸潤角變小，浸潤點(diǎn)變小，由疏油性變?yōu)橛H油性。但有些含有極性基團(tuán)（如氨基、羥基、環(huán)氧基等）的硅烷偶聯(lián)劑（如KH-550，KH-560）對(duì)粉石英改性，其表面能較高，仍具有親水性。
（3）活化指數(shù)
無機(jī)粉體一般相對(duì)密度較大，且表面呈極性狀態(tài)，在水中自然沉降；而有機(jī)表面改性劑是非水溶性的表面活性劑。經(jīng)表面改性處理后的無機(jī)粉體，表面由極性變?yōu)榉菢O性，對(duì)水呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非浸潤性。這種非浸潤性的小顆粒在水中時(shí)，巨大的表面張力使其如同油膜一樣漂浮不沉。
活化指數(shù)H可表示為：H=樣品中漂浮部分質(zhì)量（g）/樣品總質(zhì)量（g）。根據(jù)該原理，可以用活化指數(shù)來評(píng)價(jià)粉石英的改性效果。
（4）紅外光譜
紅外光譜較普遍的用途，是根據(jù)譜的吸收頻率的位置和形狀判定未知物，并按吸收的強(qiáng)度來測定其含量。因此可以利用紅外光譜來分析改性粉石英表面新鍵的生成覆蓋情況，以此評(píng)價(jià)粘石英的改性效果。
05改性粉石英的應(yīng)用領(lǐng)域
改性粉石英適于作環(huán)氧樹脂封裝材料及橡膠、塑料、涂料中的填充材料。
在環(huán)氧封裝材料中，改性粉石英所占比例較高，一般在50%左右，特別是在互感器、高壓開關(guān)及干式變壓器等電器產(chǎn)品的絕緣封裝材料中所占比例更大，這是粉石英在高技術(shù)產(chǎn)品中的重要市場。
在橡膠工業(yè)中，改性后的粉石英作為半補(bǔ)強(qiáng)劑可替代部分白炭黑。在膠料中加入粉石英后，粉石英與膠料浸潤性好，吃粉快，飛揚(yáng)輕，混煉時(shí)間短，膠料柔軟，粘合力大，使橡膠的定伸強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、可塑性等性能指標(biāo)均與純白炭黑的膠料接近，且粉石英價(jià)格比白炭黑價(jià)格低廉，完全可部分替代白炭黑。
在塑料中（如PVC、PP、PE等）填充部分粉石英改性產(chǎn)品，制品的抗彎強(qiáng)度和耐酸、耐腐蝕性能明顯提高，且又能節(jié)省樹脂用量，降低復(fù)合材料成本。
在涂料行業(yè)中，粉石英產(chǎn)品的粒度、白度、硬度、懸浮性、分散性和吸油率低、電阻率高等特性均能提高涂料的抗耐腐蝕性、耐磨性、絕緣性和耐高溫性。
粉石英的表面改性是對(duì)礦物填料性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，提高工業(yè)價(jià)值和附加值的最有效途徑和最重要的技術(shù)之一。隨著改性技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，粉石英將會(huì)獲得更為廣泛和更為重要的用途。
石英及硅材料精細(xì)加工技術(shù)高級(jí)研修班
2019年3月23-25日 | 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）
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培訓(xùn)咨詢
主要培訓(xùn)內(nèi)容：
石英礦工藝礦物學(xué)
硅質(zhì)玉石的識(shí)別和鑒賞
石英礦物種類識(shí)別
石英產(chǎn)品及其應(yīng)用指標(biāo)
石英常規(guī)選礦技術(shù)與設(shè)備
高純石英精細(xì)提純與加工技術(shù)
石英粉表面改性技術(shù)與應(yīng)用
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