一文了解石英粉表面改性的方法、工艺及影响因素

石英粉表面改性是对其性质进行优化，开拓新的适应领域，提高工业价值和附加值的有效途径和重要技术之一。一般分为涂覆改性和表面化学改性。

涂敷改性是利用高聚物或树脂等对石英粉体表面进行“覆膜”而达到表面改性的方法。如用酚醛树脂等涂敷石英砂以提高精细铸造砂的黏结性能。这种涂敷后的铸造砂既能获得高的熔模铸造速度，又能保持模具和模芯生产中得到高抗卷壳和抗开裂性能；用呋喃树脂涂敷的石英砂用于油井钻探可提高油井产量。

涂敷改性是一种对粉体表面进行简单处理的方法，以用树脂涂敷石英砂为例，表面涂敷改性方法可分冷法和热法两种。

（1）冷法覆膜

在涂敷处理前对石英砂进行冲洗或擦洗和干燥。冷法覆膜砂是在室温下制备，先将粉状树脂与砂混匀，然后加入溶剂（工业酒精、丙酮或糠醛），溶剂加入量根据混砂机能否封闭而定；封闭者，酒精用量为树脂用量的40%-50%；不能封闭者为70%-80%，再继续混碾到挥发完，于燥后经粉碎和筛分即得产品。

但该法使用有机溶剂量大，仅用于少量生产。

（2）热法覆膜

热法覆膜是将砂子加热进行覆膜，先将石英砂加热到140-160℃，而后与树脂在混砂机中混匀（其中树脂用量为石英砂用量的2%-5%）。这时树脂被热炒软化，包覆在砂粒表面，随着温度降低而变黏，此时加入乌洛托品分布在砂粒表面，并使砂激冷（乌洛托品作为催化剂可在壳模形成时使树脂固化）。再加硬脂酸钙（防止结块）混数秒钟后出砂，然后粉碎、过筛、冷却后即得产品。

此法效果较好，适合大量生产，但工艺控制复杂，并需要专门的混砂设备。

影响表面涂敷的主要因素有颗粒的形状、比表面积、孔隙率、涂敷剂的种类及用量、涂敷处理工艺等等。

用于塑料、橡胶及其他树脂的石英粉、硅微粉及其他形式的二氧化硅粉体，为了使其表面与高聚物基料相容性好，以使填充材料的综合性能及可加工性能得到提高和改善，必须对其进行表面处理。

粉碎后的石英粉或其他二氧化硅粉体在水和空气的作用下可能出现Si-OH（硅醇基）、Si-O-Si（硅醚基）及Si-OH······O（表面吸附自由水）等官能团。因此，很容易接受外来的官能团，如硅烷的氨基、环氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等有机官能团，这就为二氧化硅粉体的表面改性奠定了一定基础。

（1）表面改性剂

石英粉、硅微粉或其他二氧化硅粉体的表面化学改性主要使用硅烷偶联剂，包括氨基、环氧基、甲基丙烯基、三甲基、甲基和乙烯基等各种硅烷偶联剂。

硅烷偶联剂改性石英粉的原理：

硅烷偶联剂的-RO官能团可在水中（包括填料表面所吸附的自由水）水解产生硅醇基，这一基团可与SiO2进行化学结合或与表面原有的硅醚醇基结合为一体，成为均相体系。这样，既除去了SiO2表面的水分，又与其中的氧原子形成硅醚键，从而使硅烷偶联剂的另一端所携带的与高分子聚合物具有很好的亲和性的有机官能团-R'牢固地覆盖在石英或二氧化硅颗粒表面，形成具有反应活性的包覆膜。

有机官能团-R'和环氧树脂等高分子材料具有很好的亲和性，它能降低石英或二氧化硅粉体的表面能，提高与高聚物基料的润湿性，改善粉体与高聚物基料的相容性。此外，这种新的界面层的形成，可改善填充复合体系的流变性能。

除了硅烷偶联剂外，锆铝酸盐偶联剂以及聚合物等也可用于二氧化硅粉体的表面处理。用于涂料、皮革制品、化妆品等消光剂的高孔隙率超细二氧化硅，一般采用脂肪酸（如硬脂酸）和聚乙烯蜡进行表面包覆改性。

阳离子表面活性剂，如十六烷基三甲基溴化铵，也可用于二氧化硅粉体的表面改性。由于二氧化硅的等电点较低，故粒子在水介质中通常荷负电，且随PH值升高，荷电点增多。用阳离子表面改性剂进行表面处理后，粒子表面的负电荷逐渐减少，可转变为荷正电的粒子。

（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主要因素有：硅烷偶联剂的品种、用量、使用方法及处理时间、温度、pH值等。

由于硅烷的有机官能团-R'对高聚物或树脂之类的材料具有选择性，因此，选择硅烷偶联剂时应考虑石英粉所要填充的树脂的种类。

硅烷偶联剂的用量可根据石英或二氧化硅粉体的比表面积来确定，也可以根据试验来确定用量。

（3）表面改性工艺

湿法工艺是利用适当的稀释液和助剂与硅烷偶联剂混合配成处理液，在搅拌反应釜或反应罐中对石英粉或二氧化硅粉体进行加热反应或浸泡，然后脱去水分。

用化学沉淀法制备无定形二氧化硅粉体时，常采用湿法表面处理工艺。

干法工艺是加入少量的稀释液与硅烷配成处理剂，在石英粉被高速搅拌分散和加热条件下，雾状喷入配置好的硅烷处理剂，经反应一定时间后出料，此法不需要再脱水烘干，工艺流程简单。

干-湿结合工艺是首先将经过酸化的水溶液（对电性能要求很高时选用去离子水）与适量的偶联剂在强烈搅拌装置中混合，配制成一定浓度的处理液，按石英粉投料量的8%-10%加入该处理液，然后，在以刚玉球或硅石球为研磨体的小型球磨机中混磨1h，出料于110℃烘干，过筛分级。

处理过程中，加水量、混磨时间对处理效果影响较大。加水量过大，粉料易结团，需要混磨时间较长，从而会增加粉料再粉碎现象及带入杂质成分；加水量过小，不利于偶联剂的充分分散和与石英粉的均匀作用。

同时，溶液的酸碱度直接控制偶联剂的水解程度。用这种方法改性处理后的粉石英在树脂胶泥、树脂防腐涂料、树脂粉末涂料及PVC人造革中试用，效果良好。

硅烷处理的二氧化硅粉通常用于环氧树脂基塑料中。这种塑料用于室外的高压绝缘材料，也用于制造仪表盘，功率输出用的模铸树脂变压器及露天变压器的套管和绝缘子（其额定电压高达150kV）。硅烷处理过的石英粉用于高聚物基电器设备材料的填料，能改善抗弯强度，获得较光滑外表，提高耐紫外线照射的能力，而且因其击穿后没有严重熏黑现象，使其耐微小漏电性能好。

此外，改性的石英粉用于防腐材料中，因其具有化学惰性，也可用于化学泵的内衬填料。由于同样的原因以及能长期保持表面密度，表面涂覆处理后的石英粉还可在核技术实验室的地板涂料中应用。

用硅烷对沉淀的二氧化硅（白炭黑）进行表面改性处理可进一步提高白炭黑在橡胶中的应用性能。一些高质量的白炭黑产品都进行了表面处理。经硅烷偶联剂处理后的白炭黑，表面疏水亲油，与橡胶的相容性大大提高。