一文了解石英粉表面改性

　　由于石英粉體表面的親水性，很難與有機高分子材料相容，為此需對其表面進行改性，使其表面性質(zhì)由親水性變?yōu)槭杷?，從而改善石英粉體粒子表面的浸潤性，使粉體粒子在有機化合物中更容易分散。

　　當前對石英粉體表面改性技術(shù)要求越來越高，提高改性效果同時降低成本，且在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，對石英粉體的純度、粒度、白度及改性后效果等有不同要求。

　　一般來說，石英粉體的顆粒越細，比表面積越大，表面活性羥基越多，越易進行化學反應(yīng)，改性后效果更好。石英等硅酸鹽礦物經(jīng)機械粉碎后，新生表面上產(chǎn)生游離基或離子，在外界條件作用下，表面產(chǎn)生Si-OH、Si-O-Si和Si-OH…H等幾種基團，易與外來的官能團發(fā)生鍵合，達到改性目的，為表面改性提供了基礎(chǔ)。

　　在改性過程中，溫度，改性劑的選擇、用量及處理方法，改性工藝等是影響改性效果的主要因素。

    1.　石英粉改性方法

　　對石英粉體有機表面改性的方法很多，但僅靠物理吸附于石英粉體表面，不僅改性效果不好，易在攪拌、洗滌等過程中脫落，而且在應(yīng)用中也無法過多增加產(chǎn)品性能。高能改性成本高，技術(shù)復(fù)雜，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

　　機械力化學改性是對粉體機械粉碎，時期表面產(chǎn)生臨時活性點，降低表面改性活化能。如李建強等用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對石英砂改性，將改性劑、乙醇和水置于球磨機中干法改性，與濕法改性進行比較。

　　化學包覆改性是石英粉體表面改性最常用的方法，如偶聯(lián)劑改性和聚合物接枝法改性。成鍵機理是與石英粉體表面形成共價鍵，如偶聯(lián)劑的改性原理，偶聯(lián)劑水解產(chǎn)生硅醇基，與石英粉體表面的硅羥基脫水縮合，形成共價鍵。此法成本較低，改性效果高，且改性產(chǎn)品保持穩(wěn)定性能時間較長。

      2.　石英粉改性工藝

　　在工業(yè)生產(chǎn)中大都采用機械力干法改性，在粉碎的同時噴入配置好的改性劑，此法可以縮短工業(yè)流程，并且在粉碎過程中產(chǎn)生臨時活性點和高溫，有利于表面改性的進行，產(chǎn)品不需要脫水干燥。但是改性效果相比于濕法差距大，改性很難均勻化，局部高溫可能會破壞改性劑，對工藝過程不好控制。干法改性后石英粉體在工業(yè)應(yīng)用中屬于粗級產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于塑料、建材及橡膠等行業(yè)。

　　濕法改性是將石英粉體和改性試劑一起浸泡加熱，攪拌，脫水干燥，較干法工藝復(fù)雜，但改性效果好，一般應(yīng)用于薄膜、涂料等高端行業(yè)。武江紅等用乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷對納米SiO2粒子進行表面改性，將改性劑，改性助劑及粉體制成濾餅，80℃下烘干8h，得到改性產(chǎn)品。

　　干-濕法結(jié)合改性過程中，對試劑加量和改性時間要求高，出料后高溫烘干，試劑量多，石英粉體易聚集，量少則改性劑不易分散，改性效果差。

    3.　石英粉改性劑

　　對石英粉體改性的改性劑主要有硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑等。工業(yè)上常用脂肪酸和一些陽離子表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨等）對石英粉體表面改性，這些改性劑價格低廉，工藝簡單，但改性效果一般，改性后屬于粗級產(chǎn)品。

　　硅烷偶聯(lián)劑對石英粉體表面改性效果最好，但成本較高，鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑成本較低，改性較容易，但改性效果比硅烷偶聯(lián)劑差，原因在于硅烷偶聯(lián)劑與石英粉體表面的硅羥基縮水鍵合所需能量較高，而鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑中的Al3+、Ti3+半徑大，很容易與硅羥基締合，結(jié)合在石英粉體表面，較之Si-O-Si鍵鍵級低，不如硅烷偶聯(lián)劑改性后效果穩(wěn)定。

　　用鋁酸酯和鈦酸酯偶聯(lián)劑對石英粉體改性時，偶聯(lián)劑的水解幾乎是不能加水的，否則很容易屏蔽偶聯(lián)劑，形成乳狀物，在有機溶劑中溶解使用效果最好，如甲苯，丙酮等。而如果硅烷偶聯(lián)劑不水解，則很難與石英粉體表面發(fā)生鍵合。高正楠等用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對二氧化硅表面改性的研究中，用電導(dǎo)率測量和紅外光譜研究了硅烷偶聯(lián)劑KH-550的水解工藝，結(jié)果表明采用水/乙醇混合溶劑，KH-550水解體積分數(shù)為15.75%。

　　當前對二氧化硅粉體的表面接枝改性研究較廣泛，通過化學反應(yīng)將聚合物鍵合在二氧化硅粉體表面，以聚合物所帶的多種活性基團，再次進行化學反應(yīng)。此法可以增多對改性劑的選擇，有助于不同領(lǐng)域的應(yīng)用效果，且對粉體包覆效果好，可減少對機械的磨損。但由于活性基團過多，對反應(yīng)難以控制，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)難度較大。

　　改性劑支鏈越長，由于空間位阻，對改性過程越不利。有研究證明偶聯(lián)劑復(fù)合改性的效果比單一改性效果要好，兩種偶聯(lián)劑相互纏繞交聯(lián)，使改性反應(yīng)基團增多。如林金輝等人利用球磨機對粉石英進行機械力化學改性，當硅烷偶聯(lián)劑KH-570與鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-411質(zhì)量比為1:1，總用量為0.7%時，改性效果較單一改性好，且復(fù)合改性后，對填充在制品中的力學性能有很大提高。

      4.　石英粉改性發(fā)展趨勢

　　當前對改性的石英粉體粒度要求趨于超細化，納米石英粉體具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的穩(wěn)定性、增稠性、觸變性、電絕緣性、吸收性及削光性等性能，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)獨具特性，有著不可取代的作用，具有很好的發(fā)展前景。但極易團聚，表面有大量的活性點，易吸附各種原子和分子。由于具有良好的透光率和紅外線反射能力等，被大量應(yīng)用于薄膜、涂料等領(lǐng)域中。但納米石英粉體的制備較之微米級成本高，市場需求大。

　　對于不同應(yīng)用領(lǐng)域，對改性石英粉體的要求各有差異，如應(yīng)用于塑料薄膜，則要求石英粉體粒度要求高，粒度太大，則無法吹膜，且薄膜的力學性能會大力下降。改性劑不同，填充的聚合物也會不同，因為不同的化學基團結(jié)構(gòu)相容程度差異較大。如帶有鏈烯基、氯烴基的偶聯(lián)劑改性后石英粉體被大量填充于PE中，被帶有多硫烴基的偶聯(lián)劑改性后則大量填充于橡膠中。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，石英粉體的改性技術(shù)會變得更行業(yè)化、更簡單高效。改性劑多能性會增強，適用范圍更廣，成本更低，改性效果更優(yōu)異。

　　由于石英粉體的特性，在各行業(yè)的應(yīng)用價值極高，未來將會在科技發(fā)展和社會生活中得到更好的開發(fā)。隨著社會需求的增加，技術(shù)的發(fā)展。石英粉體粒徑會細小化，球形化。超細石英粉體的的制備技術(shù)會更合理，更經(jīng)濟，會大幅提高石英粉體本身的應(yīng)用價值。隨著生產(chǎn)設(shè)備的不斷提高，高端改性技術(shù)會日趨工業(yè)化，將極大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域?？傊覈氖⒎垠w改性研究已經(jīng)取得重大成果，將來必在一些未知應(yīng)用領(lǐng)域中大放異彩。