干貨 | 一文了解硅微粉的生產(chǎn)、表面改性及其在涂料中的應(yīng)用！

　　硅微粉是以天然石英礦、熔融石英等為原料，經(jīng)研磨、精密分級、除雜等多道工藝加工而成的二氧化硅粉體材料，廣泛應(yīng)用于電子封裝、油漆涂料、化妝品等領(lǐng)域。

1、硅微粉生產(chǎn)技術(shù)

　　按顆粒形態(tài)，目前市場上的硅微粉產(chǎn)品主要有角形硅微粉、準(zhǔn)球形硅微粉和球形硅微粉。

（1）角形硅微粉的生產(chǎn)

　　角形硅微粉的外形無規(guī)則多呈棱角狀的硅微粉，其生產(chǎn)原料以脈石英、石英巖和熔融石英為主，又可分為角形結(jié)晶硅微粉和角形熔融硅微粉。

▲振動(dòng)磨干法生產(chǎn)超細(xì)硅微粉工藝

▲球磨機(jī)干法生產(chǎn)電子級硅微粉工藝

角形硅微粉主要生產(chǎn)設(shè)備有球磨機(jī)、振動(dòng)磨、微粉分級機(jī)和烘干機(jī)等，生產(chǎn)工藝有干法研磨和濕法研磨兩種。磨介以氧化鋁陶瓷球或硅石為主，磨機(jī)內(nèi)襯為高強(qiáng)度耐磨材料，如氧化鋁陶瓷、硅石或聚氨酯橡膠。

▲棒磨機(jī)（濕法）+球磨機(jī)（干法）生產(chǎn)超細(xì)硅微粉工藝

（2）球形硅微粉的生產(chǎn)

　　球形硅微粉，是指顆粒個(gè)體呈球形，主要成分為二氧化硅的無定形石英粉體材料，其生產(chǎn)原料主要是角形硅微粉，生產(chǎn)方法主要有火焰熔融法、等離子加熱爐法、化學(xué)合成法、水解法等。

　　目前，國內(nèi)主要利用火焰熔融法來生產(chǎn)球形硅微粉。該技術(shù)的關(guān)鍵是加熱裝置要求有穩(wěn)定的溫度場、易于調(diào)節(jié)溫度范圍以及不要對硅微粉造成二次污染。

▲國內(nèi)某公司火焰熔融法生產(chǎn)球形硅微粉工藝原則流程

高頻等離子體熔融法生產(chǎn)球形硅微粉的原理與工藝與火焰熔融法類似，主要是將高溫?zé)嵩醋優(yōu)榈入x子體發(fā)生器，其溫度范圍適中、控制平穩(wěn)、產(chǎn)量高，可達(dá)到較高球化率，因而是一種較合適的生產(chǎn)方法。

▲高頻等離子體熔融法生產(chǎn)球形硅微粉工藝

水解法是把液體SiCl4以恒定的速度加入到添加了不同分散劑的去離子水中，并同時(shí)用石英棒高速攪拌水解產(chǎn)物，將得到的水解產(chǎn)物經(jīng)陳化、洗滌、過濾后，在100℃-200℃的恒溫箱中進(jìn)行干燥脫水至恒重后，轉(zhuǎn)移至高溫?zé)Y(jié)爐中，在不同溫度下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)脫羥和晶形轉(zhuǎn)換，經(jīng)粉磨、篩分后即得到所需粒徑的高純球形硅微粉。

▲水解法生產(chǎn)硅微粉工藝

　　整體來看，國內(nèi)大部分企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不大、品種不多，在工藝過程中缺乏系統(tǒng)的控制手段，致使硅微粉產(chǎn)品的純度、粒度以及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性與國外產(chǎn)品比較還存在一定的差距。

　　在這些企業(yè)中真正能夠生產(chǎn)球形硅微粉的不多，其主打產(chǎn)品集中在1000目以下，多數(shù)以角形石英粉產(chǎn)品為主，主要應(yīng)用領(lǐng)域多為冶金、陶瓷、橡膠用填料、耐火材料、建材、化妝品等。

2、硅微粉表面改性

　　為改善硅微粉與有機(jī)高分子材料界面結(jié)合的問題，提高其應(yīng)用性能，一般需要對硅微粉進(jìn)行表面改性。

　　硅烷偶聯(lián)劑是硅微粉表面改性最常用的改性劑，可將硅微粉親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機(jī)性表面，還可提高有機(jī)高分子材料對其粉體的潤濕性，并通過官能團(tuán)使硅微粉與有機(jī)高分子材料實(shí)現(xiàn)牢固的共價(jià)鍵界面結(jié)合。

　　但是，硅烷偶聯(lián)劑的應(yīng)用效果與選用的種類、用量、水解情況、基材特性、有機(jī)高分子材料的應(yīng)用場合、方法及條件等有關(guān)。所以要使用好硅烷偶聯(lián)劑，就要對其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與硅微粉作用的機(jī)理等進(jìn)行認(rèn)真的研究，這樣才能正確的選擇和使用好硅烷偶聯(lián)劑，設(shè)計(jì)和制造出工藝合理的表改性設(shè)備。

（1）如何確定硅烷偶聯(lián)劑的用量

　　硅烷偶聯(lián)劑的用量是根據(jù)粉體的比表面積所占的反應(yīng)活性點(diǎn)（如Si-OH）的數(shù)量以及硅烷偶聯(lián)劑覆蓋表面的單分子層、多分子層的厚度等決定的。

▲硅微粉的表面特性

　　一般硅微粉類礦物粉體的Si-OH含量為4-12個(gè)μm2，1mol的硅烷偶聯(lián)劑可以覆蓋約7500m2的粉體表面積。由于硅烷偶聯(lián)劑水解后，其自身也產(chǎn)生縮合反應(yīng)，要影響到計(jì)算用量的準(zhǔn)確性，所以要增加一定的加入量。

　　硅烷偶聯(lián)劑用量（g）=粉體質(zhì)量（g）×粉體表面積（m2/g）/硅烷偶聯(lián)劑的覆蓋面積（m2/g）

（2）如何選擇表面改性工藝？

　　根據(jù)所選用的硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行確定：

　　一是首先要將硅微粉進(jìn)行動(dòng)態(tài)加熱到100-110℃，此時(shí)以霧化法加入水解后的硅烷偶聯(lián)劑或復(fù)合偶聯(lián)劑。

　　二是在硅烷偶聯(lián)劑與反應(yīng)過程中應(yīng)保持一定的反應(yīng)時(shí)間，因不同的反應(yīng)時(shí)間其改性的效果是不同的。這一加熱反應(yīng)過程是脫水、縮合與固化，以使硅烷偶聯(lián)劑與硅微粉形成穩(wěn)定和牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。

　　三是經(jīng)偶聯(lián)劑改性的粉體，都會產(chǎn)生假結(jié)顆粒和縮合后產(chǎn)生的硬顆粒，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來了很大的影響，所以一定要進(jìn)行有效分級，只有這樣才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

（3）如何選擇表面改性設(shè)備？

　　硅微粉表面改性設(shè)備的選擇，應(yīng)根據(jù)其表面改性機(jī)理所確定的加工工藝為基準(zhǔn)，選擇和配套無污染的表面改性設(shè)備。目前前國內(nèi)的表面改性設(shè)備比較多，但是有些表面改性設(shè)備沒有遵循硅微粉表面改性的機(jī)理及工藝要求等制造的，造成表面改性的效果不好，因此要對購置的改性設(shè)備進(jìn)行改造和配套后才能達(dá)到較好的效果。

　　表面改性設(shè)備的選擇是硅微粉表面改性至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在選擇表面改性設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮滿足以下幾點(diǎn)要求：

　　一是表面改性設(shè)備能將硅微粉在動(dòng)態(tài)狀況下加熱并保溫，保溫時(shí)間能夠自動(dòng)控制。

　　二是要有排氣裝置，可將表面改性前后脫除的水以蒸氣的方式排出，使硅烷偶聯(lián)劑與粉體產(chǎn)生縮合反應(yīng)，達(dá)到形成共價(jià)鍵的效果。

　　三是保證硅微粉在表面改性機(jī)中處在高速動(dòng)態(tài)的狀況下。

　　四是表面改性設(shè)備應(yīng)滿足表面改性劑分加的要求。

　　五是為解決表面改性中產(chǎn)生的假團(tuán)聚和硬團(tuán)聚體，一定要進(jìn)行有效的分級，應(yīng)有專用的分級設(shè)備進(jìn)行配套。

　　目前，國產(chǎn)的活性硅微粉產(chǎn)品因其只用硅偶聯(lián)劑簡單的混合處理，效果不夠理想，粉體與樹脂混合時(shí)很容易團(tuán)聚，而國外有許多專利提出了對硅微粉的活性處理，例如德國專利提出用聚硅烷和硅微粉混合，并在紫外線照射下攪拌，獲得活性硅微粉；日本專家提出硅烷二醇衍生物處理硅微粉，并在混合過程中加入催化劑，使偶聯(lián)劑對粉體的包裹均勻，從而能使環(huán)氧樹脂能與硅微粉達(dá)到理想的結(jié)合效果。

　　因此，我國硅微粉生產(chǎn)廠家在表面改性的道路上任重道遠(yuǎn)，不僅需要上游偶聯(lián)劑廠家的密切配合，更需要下游應(yīng)用廠家的通力合作。只要解決改性的技術(shù)難題，活性硅微粉的市場將非常值得期待。

3、硅微粉在涂料中的應(yīng)用

　　在涂料行業(yè)中，硅微粉具有白度高、硬度大、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、絕緣和化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可有效改善涂料的抗腐蝕性、耐磨性、絕緣性、耐高溫等性能，特別是對于外墻涂料來說，硅微粉對其耐候性起著舉足輕重的作用。

　　而球形硅微粉具有極強(qiáng)的紫外吸收和紅外反射特性，可增加涂料的抗紫外老化和熱老化性能；添加到紫外光固化涂料中，可明顯地提高涂料的硬度和附著力，減弱其吸收UV輻射的程度，從而降低了紫外光固化涂料的固化速度。

　　球形硅微粉擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，很好的流動(dòng)與潤滑性，能在涂料干燥時(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)增加涂料的強(qiáng)度和光潔度，提高顏料的懸浮性，保持涂料的顏色長期不變。

　　乳膠涂料：汪鵬主等以改性硅微粉和鈦白粉進(jìn)行復(fù)配，當(dāng)硅微粉:鈦白粉=1:3時(shí)，復(fù)合粉體具有良好的分散性能，將其用于乳膠涂料中，所得產(chǎn)品穩(wěn)定性良好，力學(xué)性能優(yōu)異，且加入改性硅微粉的涂料成膜后，硅微粉主要富集在涂膜的表層，提高了涂膜的硬度和耐污性。

　　粉末涂料：杜中燕等通過添加硅微粉部分替代鈦白粉，當(dāng)兩者配比1:1時(shí)，粉末涂料的涂膜綜合性能最好，鉛筆硬度為4H，耐沖擊力高于50kg?cm，光澤度75%，白度82%。

　　高溫耐磨涂料：張棟棟等以硅烷偶聯(lián)劑KH560改性硅微粉，提升了環(huán)氧樹脂的相容性，在涂層中分散性良好，可獲得耐磨、耐熱性能良好的硅微粉/環(huán)氧樹脂高溫耐磨涂料。

　　近年來，隨著各種特殊功能性涂料的開發(fā)應(yīng)用，硅微粉由于具備耐溫、耐候、耐磨、耐腐蝕等諸多優(yōu)異的性能，越來越受到涂料用戶的重視。

　　值得注意的是，雖然我國的硅微粉產(chǎn)品在物理、化學(xué)指標(biāo)上已經(jīng)能與國外產(chǎn)品相媲美，例如金戈新材的FCJ系列硅微粉，不論是在生產(chǎn)自動(dòng)化、在線檢測手段和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的控制上，都已經(jīng)達(dá)到國際化先進(jìn)水平，有意向者可向我司相關(guān)人員。未來我國硅微粉市場還有很長的路要走，希望上下游通力合作，共促行業(yè)繁榮發(fā)展。

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