表面改性是根據(jù)應(yīng)用的需要有目的的改變硅灰石的表面物理性質(zhì)或賦予其新的功能，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。
1、硅灰石常用表面改性劑
硅灰石常用表面改性劑主要有硅烷、鋁酸酯、鈦酸酯等偶聯(lián)劑、硬脂酸、不飽和脂肪酸和有機(jī)低聚物等，或?qū)煞N以上的表面活性劑混合使用。
?。?）偶聯(lián)劑
硅烷偶聯(lián)改性是硅灰石粉體常用的表面改性方法之一。一般采用干法改性工藝，偶聯(lián)劑的用量與要求的覆蓋率及粉體的比表面積有關(guān)。用氨基硅烷處理硅灰石時(shí)，用量為硅灰石重量的0.5%左右；甲基丙烯含氧硅烷的用量為硅灰石重量的0.75%，這兩種改性產(chǎn)品分別填充尼龍6和聚酯代替30%的玻璃纖維可顯著提高制品的力學(xué)性能。
?。?）表面活性劑
用硅烷偶聯(lián)劑處理硅灰石，可大大改善其與聚合物的相容性，增強(qiáng)填充效果，但硅烷偶聯(lián)劑改性生產(chǎn)成本較高。因此，在某些應(yīng)用條件下，可用較便宜的表面活性劑，如硬脂酸（鹽）、季胺鹽、聚乙二醇、高級(jí)脂肪醇聚氧乙烯醚（非離子型表面活性劑）等對(duì)硅灰石粉進(jìn)行表面改性處理。這些表面活性劑通過極性基團(tuán)與顆粒表面的作用，覆蓋于顆粒表面，可大大增強(qiáng)硅灰石填料的親油性。
用非離子型表面活性劑高級(jí)脂肪醇聚氧乙烯醚類作表面改性劑對(duì)硅灰石粉體進(jìn)行表面改性，試驗(yàn)表明，其效果也較好。非離子型表面活性劑對(duì)填充體系的作用機(jī)理與偶聯(lián)劑相似，親水基團(tuán)和親油基團(tuán)分別與填料及樹脂發(fā)生相互作用，加強(qiáng)二者的聯(lián)系，提高了體系的相容性和均勻性。二極性基團(tuán)之間的柔性碳鏈起增塑潤(rùn)滑作用，賦予體系柔韌性和流動(dòng)性，使體系黏度下降，改善了加工性能。
用高級(jí)脂肪醇聚氧乙烯醚改性處理硅灰石，經(jīng)表面處理后的活性硅灰石粉體吸水率降低，吸油率變小，粒徑變細(xì)，活化指數(shù)大于90%。將這種表面改性處理后的硅灰石粉體填充到PVC電纜材料中，不僅可使制品的成本下降，而且還能改善制品的綜合性能。
?。?）有機(jī)單體
有機(jī)單體在硅灰石粉體/水懸浮液中的聚合反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，其聚合體可以吸附于顆粒表面，這樣既改變了硅灰石粉體的表面性質(zhì)，有不影響其粒徑和白度。將此硅灰石粉體作涂料的填料，可降低涂料的沉降性和增強(qiáng)分散性。目前選擇在硅灰石粉體/水懸浮液中進(jìn)行聚合反應(yīng)的單體是甲基丙烯酸甲酯。
改性劑的使用方法主要采取硅灰石和表面改性劑在容器內(nèi)高速攪拌，使硅灰石和表面改性劑充分接觸的方法；將硅灰石和改性劑按照一定的配比，在一定的條件下使其發(fā)生反應(yīng)。也可在硅灰石的粉碎過程中加入改性劑，通過機(jī)械力化學(xué)的作用進(jìn)行改性。
改性劑種類、用量及使用方法將直接影響硅灰石表面改性的效果。改性劑的用量與包覆率存在一定關(guān)系，一般來說，開始時(shí)隨著改性劑用量的增加粉體表面包覆率提高得較快，但隨后增加趨勢(shì)緩慢，至一定用量后就不再增加，改性劑的用量一般不超過3%，不同改性劑用量不同，要根據(jù)具體的用途來定。
2、硅灰石表面改性效果評(píng)價(jià)方法
工業(yè)中對(duì)硅灰石進(jìn)行改性的目的主要用其作為塑料、橡膠等的填料以降低成本，硅灰石改性效果的好壞應(yīng)由應(yīng)用后的機(jī)械性能來評(píng)價(jià)，不同用途對(duì)機(jī)械性能要求也不同，因此很難用統(tǒng)一的方法來表征硅灰石的表面改性效果。
但從改善其和有機(jī)物的相容性這個(gè)角度考慮，也有一些相對(duì)統(tǒng)一的表征方法，如測(cè)沉降高度、表面接觸角、粘度、活化指數(shù)等都可以定性地表征改性效果。此外，也可用儀器來檢驗(yàn)硅灰石改性的效果，如紅外光譜、掃描電鏡等。
（1）沉降高度法、活化指數(shù)
取一定量的改性后硅灰石，放入裝有沉降介質(zhì)的試管中，攪拌一定時(shí)間使其充分混合，然后靜止，改性后硅灰石會(huì)發(fā)生沉淀現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^沉降物層的高度表征改性效果，一般來說除沉降時(shí)間對(duì)沉降高度有影響外，沉降高度和粉體的表面性質(zhì)、粉體和液體的極性也有很大關(guān)系，如果液體是純的話，沉降高度則由液體的極性和粉體的極性來決定，如親水性粉體在極性大的液體中沉降高度小，在極性小的液體中沉降高度大，因而改性好的硅灰石顆粒極性降低，在極性小的介質(zhì)中發(fā)生沉降時(shí)，沉降高度要大一些。
但是影響沉降高度的因素很多，如液體的密度、粘度，粉體的大小形狀、表面形態(tài)等，因此用沉降高度的方法很難定量表示改性效果的好壞，而且改性的好壞又因不同的填充對(duì)象而不同，沉降高度和填充后性能沒有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只是反映大致的趨勢(shì)。
經(jīng)過有機(jī)化改性后的硅灰石，由親水疏油性變成親油疏水性；因此，也可通過檢測(cè)疏水性來表征改性效果，用活化指數(shù)來表征。在一定條件下，把一定量的硅灰石放入水中沉降，活化指數(shù)=漂浮質(zhì)量/總質(zhì)量?；罨笖?shù)只是一種定性的表征方法，有文獻(xiàn)用活化指數(shù)表征改性效果，但只是一些對(duì)比性實(shí)驗(yàn)。
?。?）表面接觸角、粘度
硅灰石表面具有親水性，改性后硅灰石的親水性減弱，因此分子間力變小，它和水的接觸角變大，一般情況下改性硅灰石在水中的接觸角越大，說明改性效果越好。
從液-固間分子力大小這一角度考慮，改性硅灰石和水的分子間力變小，則其在水中的分散度變大，其粘度就會(huì)降低，因此，用粘度的方法也可表征硅灰石改性的好壞。
（3）紅外光譜、掃描電鏡
掃描電鏡用電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像，可以觀察顆粒表面微觀的三維形態(tài)和堆疊狀態(tài)。放大到一定倍數(shù)之后，掃描電鏡可以觀察到改性后硅灰石表面改性劑的存在及其分布狀態(tài)等，可以從深層反應(yīng)機(jī)理上對(duì)其進(jìn)行分析。
對(duì)硅灰石的改性國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的分析儀器為紅外光譜，可以根據(jù)光譜的吸收頻率的位置和形狀判斷硅灰石及其表面物質(zhì)的基團(tuán)、狀態(tài)、物質(zhì)類型，并可按其吸收強(qiáng)度來測(cè)定它們的含量。用紅外光譜可以觀察到改性后新生成的化學(xué)健或官能團(tuán)，并可以從量的角度對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，但由于改性劑的用量一般比較小，定量分析改性效果有一定困難。
對(duì)硅灰石改性效果的表征大體上就這幾種，針對(duì)不同的用途，硅灰石改性效果的表征方法是不同的，最終還是要用應(yīng)用后的性能來判定改性的效果；測(cè)沉降高度、表面接觸角、粘度、活化指數(shù)等表征方法在一定程度上可以表征改性效果，在適合改性前期階段的研究過程中應(yīng)用。紅外光譜、掃描電鏡等也能直接用來表征硅灰石的改性效果，而且對(duì)改性機(jī)理等進(jìn)一步的研究具有較重要的意義。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
