了解石英砂的表面改性方法及工艺

/了解石英砂的表面改性方法及工艺石英砂的表面改性是对石英砂的性质进行优化，来开拓新的应用领域，提高其工业价值和附加值的有效途径和紧要技术之一，其目的是：更改石英砂粉体表面的原有性质，如：亲油性、浸润性、吸油率、黏度、混合物等；改善石英砂作为填料与有机聚合物的相容性、亲和性以及加工分散性、流动性；提高石英砂填料与聚合物相界面之间的结合力；致使复合材料的性能得到明显的提高。1、涂敷改性涂敷改性重要是指利用树脂或高聚物等对石英砂粉体表面进行“覆膜”来达到表面改性的方法，是一种对粉体表面进行简单处理的方法。例如，用呋喃树脂来涂敷石英砂，然后用于油井钻探，可提高油井的产量；用酚醛树脂等来涂敷石英砂，来提高精细铸造砂的黏结性能，这种涂敷改性后的铸造砂不仅获得了高的熔模铸造速度，还能保持模具和模芯生产中得到较高的抗开裂和抗卷壳性能。涂敷改性的方法一般分为冷法和热法两种。以用树脂涂敷石英砂为例，在涂敷之前要对石英砂进行必要的冲洗或檫洗和干燥。冷法就是在室温下来涂敷，先将树脂与石英砂混匀，再加入溶剂（工业酒精、丙酮、糠醛），溶剂的用量与混砂机是否封闭有关，若能封闭，其酒精用量为树脂量的40%～50%；反之不能封闭为70%～80%，连续混匀至溶剂挥发完，干燥经筛分得到产品。由于冷法要使用大量的溶剂，故仅用于少量生产。热法涂敷就是先将石英砂加热到肯定温度（120～140℃），再与树脂混匀，其中树脂用量一般为石英砂用量的2%～5%。树脂被热砂软化，包覆在石英砂的表面，随着温度的降低而变黏，应加入一种固化剂（乌洛托品），再加硬脂酸钙混匀（防止结块），然后冷却筛分后得到产品。该方法的涂敷效果较好，适合大量生产，但其工艺较多而杂难控，需专门的混砂设备。影响石英砂涂敷改性效果的重要因素有石英砂颗粒的形状、比表面积、孔隙率、涂敷聚合物的种类及用量、涂敷工艺方法等。2、表面化学改性石英砂粉体的化学表面改性重要使用的是硅烷偶联剂，硅烷偶联剂中的—RO官能团可水解产生Si—OH（硅醇基），因石英砂表面存在吸附的自由水，这样基团可与石英砂粉体中SiO2进行化学结合成为均相体系，那么硅烷偶联剂的另一端所带的与高聚物具有良好的亲和性的官能团—R＇就覆盖在石英砂颗粒的表面，形成具有反应活性的覆盖膜。有机官能团—R＇与环氧树脂等高聚物具有很好的亲和性，来降低石英砂粉体的表面能，提高与高聚物的润湿性和相容性。同时，可加强这种复合材料的流变性能。目前，石英砂表面化学改性工艺重要有：干法工艺、湿法工艺、复合工艺三大类。（1）干法工艺干法工艺是一种应用最为广泛的粉体表面改性工艺，是指干燥后的石英砂粉体在高速搅拌分散时，加入配置好的改性剂处理液，同时在加热条件下进行表面改性处理的工艺。干法工艺具有流程简单、作业快捷、投资较省以及改性剂适用性好等特点。（2）湿法工艺湿法工艺是利用配置好的表面改性剂和助剂混合配成的处理液，在搅拌分散和肯定温度条件对石英砂粉体进行表面改性的工艺。与干法工艺相比，湿法工艺具有改性剂分散好、粉体表面包覆均匀等特点，不过湿法需脱去水分（过滤和干燥），故适用于各种可水溶或水解的改性剂以及前段为湿法制粉工艺而后段有需干燥的。（3）复合工艺①机械化学与化学包覆复合改性工艺机械化学与化学包覆复合改性工艺是指在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加改性剂，随着石英砂粉体粒度减小的同时，对其颗粒进行表面改性的工艺。这种复合改性工艺的特点是工艺较简易，某些改性剂同时具有助磨作用，提高粉碎效率，但是其温度难掌控，同时颗粒不断被粉碎，产生新的表面，改性剂包覆难以均匀，此外，粉碎设备在猛烈机械力作用过程中产生局部高温，可使改性剂分解或分子结构被破坏。②沉淀反应与化学包覆复合改性工艺沉淀反应与化学包覆复合改性工艺实质上是一种无机—有机复合改性工艺，其重要是得到某些特别用途要求的复合型粉体材料。这种复合改性工艺现重要用于复合钛白粉的表面改性，即先沉淀包覆SiO2或Al2O3薄膜，再用改性剂对TiO2/SiO2或Al2O3复合粉体进行表面改性。③干燥与化学包覆复合改性工艺干燥与化学包覆复合改性工艺是指在湿粉体干燥过程中添加改性剂，即脱水与粉体表面改性同时进行的复合工艺。其工艺干燥温度较高（200℃以上）。（2）表面改性影响因素影响石英粉及其他二氧化硅粉体表面处理效果的重要因素有：硅烷偶联剂的品种、用量、使用方法及处理时间、温度、pH值等。由于硅烷的有