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高岭土8大表面改性方法,你铁定用得着

发布时间:2020-05-25   浏览量:4953 返回

表面改性是高岭土非常重要的深加工改性方法之一,是指根据应用的需要,对高岭土表面进行物理、化学或机械方法处理,以达到提高高岭土的白度、亮度、表面活性或改善与聚合物相容性等目的。

高岭土表面改性的基础是Si-O键和Al-(O,OH)键等活性基团,特点是即使采用化学反应的方法,也只改变矿物界面层次的组分,不改变内部晶体结构及物化性质,目前主要有以下几种方法:

1、煅烧改性

煅烧改性是指高温煅烧高岭土,其目的就是将高岭土表面的部分或者全部的羟基脱除,获得特殊的表面性质。

煅烧后的高岭土具有白度高、密度小、比表面积增大、吸油性增加、热稳定性高和绝缘性等特点,适宜用于涂料、油漆、电缆等的填料。

高岭土煅烧时应注意温度的选择,在较低温度煅烧,高岭土的活性较大;在较高温度煅烧,可形成铝尖晶石,并在一定温度下会有莫来石产生,此时高岭土的活性较小,不能满足部分高分子材料制品的需求。

因此,在应用于不同的制品中时应选择不同的煅烧温度,例如填充电缆胶料时,高岭土表面应具有较大的表面活性,就需要在低温下煅烧高岭土;当用作涂料的填料时,煅烧温度可以偏高,用于替代部分颜料,但温度不能过高,以免产生莫来石化。

2、表面包覆法改性

表面包覆法通过物理吸附或化学吸附等方法在高岭土表面包覆一层有机物达到改性的目的。

常用的改性剂为硬脂酸、三甲基丙烯酸甘油脂、三甲氧基丙烷三缩水甘油醚、低分子聚乙烯蜡等。

此法优点是高岭土改性后可以使材料结构的稳定性及催化剂活性增强,粉末的聚集程度减弱,分散性及流动性得到改善。

3、表面反应法改性

表面反应法是指改性剂与高岭主表面的活性基团(-Al(Al)-OH,-Si-O-Al-和-Si(Al)-O)发生化学反应引入疏水或者带有活性的疏水基团,从而引起表面性质发生改变,既降低了表面能,又改善了高岭土的疏水性和反应性。

改性剂可以直接改性高岭土,也可以在其表面先反应生成离子,再通过离子交换的方式最终达到改性目的,此法重要手段有酯化、卤化、胺化等。

可根据需要选择不同的改性条件,以达到不同的改性目的。在制造精细化、专用化产品方面,这种方法具有很大的优势,是高岭土深加工的一个主要方面。

4、偶联剂改性

偶联剂改性法是对高岭土表面化学改性常用的方法,将高岭土表面通过化学法接枝有机偶联剂,从而改变高岭土表面性质,由亲水变为亲油,降低表面能,当填充到高分子材料中,改善与高分子材料的相容性。目前常见的偶联剂主要包括硅烷类,钛酸酯类,铝酸酯类,锆铝酸盐类等。

偶联剂是具有两性结构有机分子,主要官能团包括,亲水的极性基团和亲油的有机长链,亲水的极性基团能与高岭土表面发生化学反应,连接到其表面,而亲油的有机长链能与高分子链相互缠结,或者亲油长链带着活性基团能与高分子反应形成化学键,改善高岭土与高分子的相容性,提升高分子材料的性能。

用偶联剂处理高岭土,可有效抑制其与高聚物的“相”分离,可增大填充量,节约成本,同时可保持较好的分散性,从而改善了聚合物基体的综合性能,特别是冲击强度、抗张强度、柔韧性和挠曲强度等。

偶联剂处理通常有湿法处理和干法处理两种处理方法:

湿法处理是将高岭土粉料浸入溶有偶联剂的溶液中,在一定温度下作用,然后使溶剂与高岭土粉分离,再将粉料进行干燥处理。相比于干法处理,湿法具有粉料与偶联剂混合均匀的优点,但湿法处理加工工艺较复杂、溶剂损失大、成本高;干法处理是将高岭土微粉投放入高速搅拌混合器中,在一定的温度下搅拌、烘干,将溶有偶联剂的溶剂和助剂缓慢加入,经一定时间的搅拌处理后,就可制得表面改性的高岭土填料。由于改性剂的用量通常只有粉体用量的1%~5%,用量很少,因此想使改性剂与粉体用干法处理时混合包覆的很好,必须对设备和操作过程充分注意,力求尽可能达到湿法的处理效果。

5、插层法改性

插层改性方法是利用层状结构粉体颗粒晶体层间较弱的结合力或者层间含有可交换的阳离子等特性,采用化学反应或离子交换等方法改变粉体的层间和界面性质。

高岭土不可进行阳离子交换,但高岭土层间存在易形成氢键的-OH和Si-O键,层间距较小,只允许部分极性小分子(如HC-ONH2、CH3CONH2等)通过,可以将这些极性小分子插入高岭土层间并破坏其氢键,撑大层间距,使层间的亲水性变为疏水性,有利于其它有机物大分子通过置换过程进入,使得高岭土以纳米尺度的剥离状态分散到各种基体中。

6、机械力化学法改性

机械力化学改性法实质上是借助机械能激活颗粒和表面改性剂发生作用,达到将机械能转化为化学能的目的,可通过强机械力搅拌、冲击、研磨等方法实现。

此法在粉体的复合方面也做出了重要贡献,可以借助机械外力使粉体颗粒表面包覆上一层更细或具有功能性的粉体颗粒,上述表面包覆改性为化学沉淀,而此法为机械化学作用。机械力化学改性法采用不同的机器以及改性工艺,则粉体的改性效果也不同。

7、凝聚共沉法

王芳等以浓缩天然胶乳为主体材料,改性高岭土作为填料,通过凝聚共沉法制备改性高岭土/NR复合材料,探索影响材料物理机械性能的因素,同时用扫面电镜观察拉伸断面的形貌,并对其进行分析。

结果表明,制备的复合材料物理性能良好,且在拉伸过程中无应力发白现象;乳酸钾溶液质量分数是5%,改性温度为80℃时所制备的改性高岭土用量为40phr的情况下,制得的改性高岭土/NR复合材料具有最佳的物理机械性能。

8、酸碱处理

酸碱处理也是一种表面辅助处理方法,通过酸碱处理可以改善粉体表面(或界面)的吸附和反应活性。

霍智辉等通过甜菜碱改性高岭土悬浮液与天然胶乳混合,用凝聚共沉法制备甜菜碱改性高岭土/NR复合材料,探讨甜菜碱溶液的质量分数、碱金属离子种类、高岭土用量等因素对复合材料的物理性能的影响。结果表明,高岭土经甜菜碱改性后对硫化胶的补强作用明显。硫化胶拉伸试样断面的扫面电镜图上出现明显的丝网形貌,分析透射电镜表明甜菜碱改性高岭土粒子与天然橡胶基体之间紧密结合,界面比较模糊。

除了上述方法外,高岭土表面改性方法还有表面接枝、粒子表面离子交换、等离子体改性、辐照改性、化学气相沉积(CVD)和物理沉积(CVD)等方法。

参考资料:[1] 李晓晓.高岭土湿法改性及应用的研究[D].青岛科技大学,2016.

[2] 石阳阳.表面改性高岭土的制备及其在聚合物中的应用研究 [D].安徽大学,2015.

[3] 孙克新.高岭土改性及其在NR中的应用研究[D].青岛科技大学,2014.


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