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高岭土的理化性能是进行表面改性的基础

   高岭土的理化性能是进行表面改性的基础,特别是表面官能团,决定着高岭石在一定条件下的吸附特性、化学反应活性、电性和润湿性等。由于矿物颗粒表面能高、亲水疏油,与表面能低、亲油疏水的聚合物基体的界面性质不同,二者兼容性差,因此难以均匀分散其中,直接充填很容易发生团聚;另一方面,填料与有机高分子之间的界面结合力较弱,过量的填充会影响复合材料的力学性能。

  高岭土粉体经过表面改性后,能达到疏水、降低表面能、改善其分散性和与高聚物基料的兼容性,以达到提高塑料、橡胶等高聚物基复合材料综合性能的目的。

                           

  1、高岭土表面改性方法

  高岭土常用的表面改性剂主要有硅烷偶联剂、有机硅(油)或硅树脂、表面活性剂及有机酸等。用途不同,所选用的表面改性剂的品种和配方也有所不同。表面改性剂的种类、用量和使用方法直接影响着表面改性的效果。如果仅从表面改性剂分子与无机粉体表面相互作用的角度来考虑,当然是二者之间的相互作用越强越好,但是在实际操作中,还必须综合考虑改性产品的成本、应用目的等因素。

  例如,当煅烧高岭土改性后用做电缆绝缘橡胶、塑料的填料时,就需要考虑表面改性剂的介电性能及体积电阻率;如果改性高岭土是用做橡胶的补强填料,在选择改性剂时,不但要考虑改性剂与高岭土的黏结强度,而且还需要考虑改性剂分子与橡胶大分子之间的结合强度,只有使二者均达到最优,才是改性效果最好的表面改性剂。

  (1)硅烷偶联剂的表面改性机理。硅烷偶联剂是高岭土填料最常用和最有效的表面改性剂。处理工艺比较简单,一般是将高岭土粉和配置好的硅烷偶联剂一起加入改性机中进行表面包覆处理。工艺可以连续进行,也可以批量进行。

  影响最终处理效果的因素主要是高岭土粉的粒度、比表面积及表面特性(表面官能团及活性)、硅烷偶联剂的品种、用量、用法、改性设备的性能以及表面改性处理的时间、温度等。

  (2)用于电线电缆填料(如聚氯乙烯)的高岭土除了硅烷偶联剂之外,还常利用1%-3%的硅油进行表面改性,改性工艺过程和设备与用硅烷偶联剂相似。

  经硅油处理后的煅烧高岭土粉,用做电线电缆的填料,不仅可以提高电缆的机械物理性能,而且还可以改善或提高电缆的电绝缘性能和疏水性能,在潮湿和寒冷环境下的电绝缘性能提高显著。

  (3)采用不饱和有机酸,如乙二酸、癸二酸、二羧基酸等也可用于胺化后的高岭土粉体的表面改性,这种改性高岭土可用做尼龙66等的填料。

  (4)阳离子表面活性剂,如十八烷基胺等也可用于高岭土粉体的表面改性。其极性基团通过化学吸附和物理吸附与高岭土颗粒表面作用。经有机胺改性后的高岭土表面疏水性增强。

  (5)无机表面改性剂二氧化钛、碳酸钙、硫酸钙等也可以用于煅烧高岭土的表面改性。改性方法是在水溶液中的表面沉淀反应,改性产物经洗涤、过滤和干燥后即得表面二氧化钛包膜的煅烧高岭土。

  表面改性剂的使用方法也非常重要,使用方法得当,不仅可以提高表面改性效果,而且还会减少用量,降低生产成本。在对粉体进行表面改性时,可以通过添加适量的溶剂、稀释剂以及采用乳化、喷雾等方法以保证改性剂在物料的表面均匀分散,提高改性剂在粉体中的分散度。

  对于特定的应用目的,有时需要采用两种偶联剂进行混合改性,利用它们的协同效应进行改性,会取得意想不到的良好效果,但是应该注意两种改性剂的使用方法和添加顺序。

  2、表面改性工艺

  高岭土的表面化学改性主要是采用预处理法,工艺方法一般有3种:湿法、半干法和干法。

  (1)湿法工艺由于需要制浆、脱水和干燥等过程,工艺复杂,特别是脱水过滤,如果矿物颗粒粒径小于1250目,将极为困难和复杂。

  (2)半干法改性工艺是在搅拌器中边搅拌粉体,边将适量的水、改性剂及其助剂的混合物加入,同时加热到一定温度,反应一定时间后即完成改性剂与矿物粉体的偶联作用。反应后的产物呈非常薪稠状态,再经稍微干燥即得改性产品。半干法工艺省去了脱水过程,因此生产效率较高。

  由于在湿法和半干法工艺中加入了较多的水、偶联剂和助剂的混合物,再通过搅拌混合,粉体颗粒很容易全部与偶联剂分子接触,从而使改性剂分子容易均匀地包覆在颗粒表面。所以这两种工艺所需搅拌机的转速不要求很高,设备造价比较低。

  (3)干法改性工艺是将偶联剂及其助剂用微量的稀释剂稀释后,在改性机中,边搅拌边将其加入,或利用喷雾的方法加入,同时加热到一定温度,反应一定时间后完成偶联作用,得到改性产品。高岭土干法改性工艺对技术和设备要求比较高。该工艺完全省去了脱水和干燥过程,改性工艺简单。推荐阅读:为什么高岭土粉体需要表面改性?

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