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            高嶺土8大表面改性方法,你鐵定用得著

              表面改性是高嶺土非常重要的深加工改性方法之一,是指根據應用的需要,對高嶺土表面進行物理、化學或機械方法處理,以達到提高高嶺土的白度、亮度、表面活性或改善與聚合物相容性等目的。


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              高嶺土表面改性的基礎是Si-O鍵和Al-(O,OH)鍵等活性基團,特點是即使采用化學反應的方法,也只改變礦物界面層次的組分,不改變內部晶體結構及物化性質,目前主要有以下幾種方法:

              1、煅燒改性

              煅燒改性是指高溫煅燒高嶺土,其目的就是將高嶺土表面的部分或者全部的羥基脫除,獲得特殊的表面性質。

              煅燒后的高嶺土具有白度高、密度小、比表面積增大、吸油性增加、熱穩定性高和絕緣性等特點,適宜用于涂料、油漆、電纜等的填料。

              高嶺土煅燒時應注意溫度的選擇,在較低溫度煅燒,高嶺土的活性較大;在較高溫度煅燒,可形成鋁尖晶石,并在一定溫度下會有莫來石產生,此時高嶺土的活性較小,不能滿足部分高分子材料制品的需求。

              因此,在應用于不同的制品中時應選擇不同的煅燒溫度,例如填充電纜膠料時,高嶺土表面應具有較大的表面活性,就需要在低溫下煅燒高嶺土;當用作涂料的填料時,煅燒溫度可以偏高,用于替代部分顏料,但溫度不能過高,以免產生莫來石化。

              2、表面包覆法改性

              表面包覆法通過物理吸附或化學吸附等方法在高嶺土表面包覆一層有機物達到改性的目的。

              常用的改性劑為硬脂酸、三甲基丙烯酸甘油脂、三甲氧基丙烷三縮水甘油醚、低分子聚乙烯蠟等。

              此法優點是高嶺土改性后可以使材料結構的穩定性及催化劑活性增強,粉末的聚集程度減弱,分散性及流動性得到改善。

              3、表面反應法改性

              表面反應法是指改性劑與高嶺主表面的活性基團(-Al(Al)-OH,-Si-O-Al-和-Si(Al)-O)發生化學反應引入疏水或者帶有活性的疏水基團,從而引起表面性質發生改變,既降低了表面能,又改善了高嶺土的疏水性和反應性。

              改性劑可以直接改性高嶺土,也可以在其表面先反應生成離子,再通過離子交換的方式最終達到改性目的,此法重要手段有酯化、鹵化、胺化等。

              可根據需要選擇不同的改性條件,以達到不同的改性目的。在制造精細化、專用化產品方面,這種方法具有很大的優勢,是高嶺土深加工的一個主要方面。

              4、偶聯劑改性

              偶聯劑改性法是對高嶺土表面化學改性常用的方法,將高嶺土表面通過化學法接枝有機偶聯劑,從而改變高嶺土表面性質,由親水變為親油,降低表面能,當填充到高分子材料中,改善與高分子材料的相容性。目前常見的偶聯劑主要包括硅烷類,鈦酸酯類,鋁酸酯類,鋯鋁酸鹽類等。

              偶聯劑是具有兩性結構有機分子,主要官能團包括,親水的極性基團和親油的有機長鏈,親水的極性基團能與高嶺土表面發生化學反應,連接到其表面,而親油的有機長鏈能與高分子鏈相互纏結,或者親油長鏈帶著活性基團能與高分子反應形成化學鍵,改善高嶺土與高分子的相容性,提升高分子材料的性能。

              用偶聯劑處理高嶺土,可有效抑制其與高聚物的“相”分離,可增大填充量,節約成本,同時可保持較好的分散性,從而改善了聚合物基體的綜合性能,特別是沖擊強度、抗張強度、柔韌性和撓曲強度等。

              偶聯劑處理通常有濕法處理和干法處理兩種處理方法:

              濕法處理是將高嶺土粉料浸入溶有偶聯劑的溶液中,在一定溫度下作用,然后使溶劑與高嶺土粉分離,再將粉料進行干燥處理。相比于干法處理,濕法具有粉料與偶聯劑混合均勻的優點,但濕法處理加工工藝較復雜、溶劑損失大、成本高;

              干法處理是將高嶺土微粉投放入高速攪拌混合器中,在一定的溫度下攪拌、烘干,將溶有偶聯劑的溶劑和助劑緩慢加入,經一定時間的攪拌處理后,就可制得表面改性的高嶺土填料。由于改性劑的用量通常只有粉體用量的1%~5%,用量很少,因此想使改性劑與粉體用干法處理時混合包覆的很好,必須對設備和操作過程充分注意,力求盡可能達到濕法的處理效果。

              5、插層法改性

              插層改性方法是利用層狀結構粉體顆粒晶體層間較弱的結合力或者層間含有可交換的陽離子等特性,采用化學反應或離子交換等方法改變粉體的層間和界面性質。

              高嶺土不可進行陽離子交換,但高嶺土層間存在易形成氫鍵的-OH和Si-O鍵,層間距較小,只允許部分極性小分子(如HC-ONH2、CH3CONH2等)通過,可以將這些極性小分子插入高嶺土層間并破壞其氫鍵,撐大層間距,使層間的親水性變為疏水性,有利于其它有機物大分子通過置換過程進入,使得高嶺土以納米尺度的剝離狀態分散到各種基體中。

              6、機械力化學法改性

              機械力化學改性法實質上是借助機械能激活顆粒和表面改性劑發生作用,達到將機械能轉化為化學能的目的,可通過強機械力攪拌、沖擊、研磨等方法實現。

              此法在粉體的復合方面也做出了重要貢獻,可以借助機械外力使粉體顆粒表面包覆上一層更細或具有功能性的粉體顆粒,上述表面包覆改性為化學沉淀,而此法為機械化學作用。機械力化學改性法采用不同的機器以及改性工藝,則粉體的改性效果也不同。

              7、凝聚共沉法

              王芳等以濃縮天然膠乳為主體材料,改性高嶺土作為填料,通過凝聚共沉法制備改性高嶺土/NR復合材料,探索影響材料物理機械性能的因素,同時用掃面電鏡觀察拉伸斷面的形貌,并對其進行分析。

              結果表明,制備的復合材料物理性能良好,且在拉伸過程中無應力發白現象;乳酸鉀溶液質量分數是5%,改性溫度為80℃時所制備的改性高嶺土用量為40phr的情況下,制得的改性高嶺土/NR復合材料具有最佳的物理機械性能。

              8、酸堿處理

              酸堿處理也是一種表面輔助處理方法,通過酸堿處理可以改善粉體表面(或界面)的吸附和反應活性。

              霍智輝等通過甜菜堿改性高嶺土懸浮液與天然膠乳混合,用凝聚共沉法制備甜菜堿改性高嶺土/NR復合材料,探討甜菜堿溶液的質量分數、堿金屬離子種類、高嶺土用量等因素對復合材料的物理性能的影響。結果表明,高嶺土經甜菜堿改性后對硫化膠的補強作用明顯。硫化膠拉伸試樣斷面的掃面電鏡圖上出現明顯的絲網形貌,分析透射電鏡表明甜菜堿改性高嶺土粒子與天然橡膠基體之間緊密結合,界面比較模糊。

              除了上述方法外,高嶺土表面改性方法還有表面接枝、粒子表面離子交換、等離子體改性、輻照改性、化學氣相沉積(CVD)和物理沉積(CVD)等方法。

              參考資料:[1] 李曉曉.高嶺土濕法改性及應用的研究[D].青島科技大學,2016.

              [2] 石陽陽.表面改性高嶺土的制備及其在聚合物中的應用研究 [D].安徽大學,2015.

              [3] 孫克新.高嶺土改性及其在NR中的應用研究[D].青島科技大學,2014.


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