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(jī)高分子材料相容，為此需對(duì)其表面進(jìn)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(rùn)性，使粉體粒子在有機(jī)化合物中更容易分散。

　　當(dāng)前對(duì)石英粉體表面改性技術(shù)要求越來(lái)越高，提高改性效果同時(shí)降低成本，且在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，對(duì)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(lái)說(shuō)，石英粉體的顆粒越細(xì)，比表面積越大，表面活性羥基越多，越易進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改性后效果更好。石英等硅酸鹽礦物經(jīng)機(jī)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(tuán)，易與外來(lái)的官能團(tuán)發(fā)生鍵合，達(dá)到改性目的，為表面改性提供了基礎(chǔ)。

　　在改性過(guò)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(duì)石英粉體有機(jī)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(guò)程中脫落，而且在應(yīng)用中也無(wú)法過(guò)多增加產(chǎn)品性能。高能改性成本高，技術(shù)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

　　機(jī)械力化學(xué)改性是對(duì)粉體機(jī)械粉碎，時(shí)期表面產(chǎn)生臨時(shí)活性點(diǎn)，降低表面改性活化能。如李建強(qiáng)等用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)石英砂改性，將改性劑、乙醇和水置于球磨機(jī)中干法改性，與濕法改性進(jìn)行比較。

　　化學(xué)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(jī)理是與石英粉體表面形成共價(jià)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(jià)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(shí)間較長(zhǎng)。

      2.　石英粉改性工藝

　　在工業(yè)生產(chǎn)中大都采用機(jī)械力干法改性，在粉碎的同時(shí)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(guò)程中產(chǎn)生臨時(shí)活性點(diǎn)和高溫，有利于表面改性的進(jìn)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(huì)破壞改性劑，對(duì)工藝過(guò)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(jí)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(duì)納米SiO2粒子進(jìn)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(guò)程中，對(duì)試劑加量和改性時(shí)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(duì)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(yáng)離子表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨等）對(duì)石英粉體表面改性，這些改性劑價(jià)格低廉，工藝簡(jiǎn)單，但改性效果一般，改性后屬于粗級(jí)產(chǎn)品。

　　硅烷偶聯(lián)劑對(duì)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(jí)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(duì)石英粉體改性時(shí)，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(jī)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(duì)二氧化硅表面改性的研究中，用電導(dǎo)率測(cè)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?jǐn)?shù)為15.75%。

　　當(dāng)前對(duì)二氧化硅粉體的表面接枝改性研究較廣泛，通過(guò)化學(xué)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(tuán)，再次進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。此法可以增多對(duì)改性劑的選擇，有助于不同領(lǐng)域的應(yīng)用效果，且對(duì)粉體包覆效果好，可減少對(duì)機(jī)械的磨損。但由于活性基團(tuán)過(guò)多，對(duì)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(zhǎng)，由于空間位阻，對(duì)改性過(guò)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(tuán)增多。如林金輝等人利用球磨機(jī)對(duì)粉石英進(jìn)行機(jī)械力化學(xué)改性，當(dāng)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(shí)，改性效果較單一改性好，且復(fù)合改性后，對(duì)填充在制品中的力學(xué)性能有很大提高。

      4.　石英粉改性發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)前對(duì)改性的石英粉體粒度要求趨于超細(xì)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(dú)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(tuán)聚，表面有大量的活性點(diǎn)，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(jí)成本高，市場(chǎng)需求大。

　　對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)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(wú)法吹膜，且薄膜的力學(xué)性能會(huì)大力下降。改性劑不同，填充的聚合物也會(huì)不同，因?yàn)椴煌幕瘜W(xué)基團(tuán)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，石英粉體的改性技術(shù)會(huì)變得更行業(yè)化、更簡(jiǎn)單高效。改性劑多能性會(huì)增強(qiáng)，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(jià)值極高，未來(lái)將會(huì)在科技發(fā)展和社會(huì)生活中得到更好的開(kāi)發(fā)。隨著社會(huì)需求的增加，技術(shù)的發(fā)展。石英粉體粒徑會(huì)細(xì)小化，球形化。超細(xì)石英粉體的的制備技術(shù)會(huì)更合理，更經(jīng)濟(jì)，會(huì)大幅提高石英粉體本身的應(yīng)用價(jià)值。隨著生產(chǎn)設(shè)備的不斷提高，高端改性技術(shù)會(huì)日趨工業(yè)化，將極大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域?？傊?，我國(guó)的石英粉體改性研究已經(jīng)取得重大成果，將來(lái)必在一些未知應(yīng)用領(lǐng)域中大放異彩。