一文了解石英粉表面改性的方法、工藝及影響因素

石英粉表面改性是對其性質進行優化，開拓新的適應領域，提高工業價值和附加值的有效途徑和重要技術之一。一般分為涂覆改性和表面化學改性。

涂敷改性是利用高聚物或樹脂等對石英粉體表面進行“覆膜”而達到表面改性的方法。如用酚醛樹脂等涂敷石英砂以提高精細鑄造砂的黏結性能。這種涂敷后的鑄造砂既能獲得高的熔模鑄造速度，又能保持模具和模芯生產中得到高抗卷殼和抗開裂性能；用呋喃樹脂涂敷的石英砂用于油井鉆探可提高油井產量。

涂敷改性是一種對粉體表面進行簡單處理的方法，以用樹脂涂敷石英砂為例，表面涂敷改性方法可分冷法和熱法兩種。

（1）冷法覆膜

在涂敷處理前對石英砂進行沖洗或擦洗和干燥。冷法覆膜砂是在室溫下制備，先將粉狀樹脂與砂混勻，然后加入溶劑（工業酒精、丙酮或糠醛），溶劑加入量根據混砂機能否封閉而定；封閉者，酒精用量為樹脂用量的40%-50%；不能封閉者為70%-80%，再繼續混碾到揮發完，于燥后經粉碎和篩分即得產品。

但該法使用有機溶劑量大，僅用于少量生產。

（2）熱法覆膜

熱法覆膜是將砂子加熱進行覆膜，先將石英砂加熱到140-160℃，而后與樹脂在混砂機中混勻（其中樹脂用量為石英砂用量的2%-5%）。這時樹脂被熱炒軟化，包覆在砂粒表面，隨著溫度降低而變黏，此時加入烏洛托品分布在砂粒表面，并使砂激冷（烏洛托品作為催化劑可在殼模形成時使樹脂固化）。再加硬脂酸鈣（防止結塊）混數秒鐘后出砂，然后粉碎、過篩、冷卻后即得產品。

此法效果較好，適合大量生產，但工藝控制復雜，并需要專門的混砂設備。

影響表面涂敷的主要因素有顆粒的形狀、比表面積、孔隙率、涂敷劑的種類及用量、涂敷處理工藝等等。

用于塑料、橡膠及其他樹脂的石英粉、硅微粉及其他形式的二氧化硅粉體，為了使其表面與高聚物基料相容性好，以使填充材料的綜合性能及可加工性能得到提高和改善，必須對其進行表面處理。

粉碎后的石英粉或其他二氧化硅粉體在水和空氣的作用下可能出現Si-OH（硅醇基）、Si-O-Si（硅醚基）及Si-OH······O（表面吸附自由水）等官能團。因此，很容易接受外來的官能團，如硅烷的氨基、環氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等有機官能團，這就為二氧化硅粉體的表面改性奠定了一定基礎。

（1）表面改性劑

石英粉、硅微粉或其他二氧化硅粉體的表面化學改性主要使用硅烷偶聯劑，包括氨基、環氧基、甲基丙烯基、三甲基、甲基和乙烯基等各種硅烷偶聯劑。

硅烷偶聯劑改性石英粉的原理：

硅烷偶聯劑的-RO官能團可在水中（包括填料表面所吸附的自由水）水解產生硅醇基，這一基團可與SiO2進行化學結合或與表面原有的硅醚醇基結合為一體，成為均相體系。這樣，既除去了SiO2表面的水分，又與其中的氧原子形成硅醚鍵，從而使硅烷偶聯劑的另一端所攜帶的與高分子聚合物具有很好的親和性的有機官能團-R'牢固地覆蓋在石英或二氧化硅顆粒表面，形成具有反應活性的包覆膜。

有機官能團-R'和環氧樹脂等高分子材料具有很好的親和性，它能降低石英或二氧化硅粉體的表面能，提高與高聚物基料的潤濕性，改善粉體與高聚物基料的相容性。此外，這種新的界面層的形成，可改善填充復合體系的流變性能。

除了硅烷偶聯劑外，鋯鋁酸鹽偶聯劑以及聚合物等也可用于二氧化硅粉體的表面處理。用于涂料、皮革制品、化妝品等消光劑的高孔隙率超細二氧化硅，一般采用脂肪酸（如硬脂酸）和聚乙烯蠟進行表面包覆改性。

陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨，也可用于二氧化硅粉體的表面改性。由于二氧化硅的等電點較低，故粒子在水介質中通常荷負電，且隨PH值升高，荷電點增多。用陽離子表面改性劑進行表面處理后，粒子表面的負電荷逐漸減少，可轉變為荷正電的粒子。

（2）表面改性影響因素

影響石英粉及其他二氧化硅粉體表面處理效果的主要因素有：硅烷偶聯劑的品種、用量、使用方法及處理時間、溫度、pH值等。

由于硅烷的有機官能團-R'對高聚物或樹脂之類的材料具有選擇性，因此，選擇硅烷偶聯劑時應考慮石英粉所要填充的樹脂的種類。

硅烷偶聯劑的用量可根據石英或二氧化硅粉體的比表面積來確定，也可以根據試驗來確定用量。

（3）表面改性工藝

濕法工藝是利用適當的稀釋液和助劑與硅烷偶聯劑混合配成處理液，在攪拌反應釜或反應罐中對石英粉或二氧化硅粉體進行加熱反應或浸泡，然后脫去水分。

用化學沉淀法制備無定形二氧化硅粉體時，常采用濕法表面處理工藝。

干法工藝是加入少量的稀釋液與硅烷配成處理劑，在石英粉被高速攪拌分散和加熱條件下，霧狀噴入配置好的硅烷處理劑，經反應一定時間后出料，此法不需要再脫水烘干，工藝流程簡單。

干-濕結合工藝是首先將經過酸化的水溶液（對電性能要求很高時選用去離子水）與適量的偶聯劑在強烈攪拌裝置中混合，配制成一定濃度的處理液，按石英粉投料量的8%-10%加入該處理液，然后，在以剛玉球或硅石球為研磨體的小型球磨機中混磨1h，出料于110℃烘干，過篩分級。

處理過程中，加水量、混磨時間對處理效果影響較大。加水量過大，粉料易結團，需要混磨時間較長，從而會增加粉料再粉碎現象及帶入雜質成分；加水量過小，不利于偶聯劑的充分分散和與石英粉的均勻作用。

同時，溶液的酸堿度直接控制偶聯劑的水解程度。用這種方法改性處理后的粉石英在樹脂膠泥、樹脂防腐涂料、樹脂粉末涂料及PVC人造革中試用，效果良好。

硅烷處理的二氧化硅粉通常用于環氧樹脂基塑料中。這種塑料用于室外的高壓絕緣材料，也用于制造儀表盤，功率輸出用的模鑄樹脂變壓器及露天變壓器的套管和絕緣子（其額定電壓高達150kV）。硅烷處理過的石英粉用于高聚物基電器設備材料的填料，能改善抗彎強度，獲得較光滑外表，提高耐紫外線照射的能力，而且因其擊穿后沒有嚴重熏黑現象，使其耐微小漏電性能好。

此外，改性的石英粉用于防腐材料中，因其具有化學惰性，也可用于化學泵的內襯填料。由于同樣的原因以及能長期保持表面密度，表面涂覆處理后的石英粉還可在核技術實驗室的地板涂料中應用。

用硅烷對沉淀的二氧化硅（白炭黑）進行表面改性處理可進一步提高白炭黑在橡膠中的應用性能。一些高質量的白炭黑產品都進行了表面處理。經硅烷偶聯劑處理后的白炭黑，表面疏水親油，與橡膠的相容性大大提高。