我國(guó)非金屬礦的加工及應(yīng)用技術(shù)已在快步的發(fā)展,煤系煅燒高嶺土作為填料或功能性填料在涂料、橡膠、塑料等高分子制品中得到了很好的應(yīng)用.煤系煅燒高嶺土不僅可以降低有機(jī)高分子制品的成本,更主要的是能夠提高產(chǎn)品的部分性能,使產(chǎn)品的質(zhì)量有所提高.

但是由于煤系煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料基質(zhì)的界面性質(zhì)有所不同,由此可造成親合性差,使之影響到煅燒高嶺土在有機(jī)高分子材料中的分散和交聯(lián)等作用,從而導(dǎo)致有機(jī)高分子制品的力學(xué)性能及其它部分性能的下降,因此要對(duì)煅燒高嶺土進(jìn)行表面改性.

改性與應(yīng)用

對(duì)煅燒高嶺土表面改性可改變高嶺土粉體界面的性質(zhì),改善煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料的親合性,提高在有機(jī)高分子材料中的分散性,增強(qiáng)制品的多種性能,起到功能性的作用,增加煅燒高嶺土的填加量,提高產(chǎn)品檔次,降低制品的成本.所以說煅燒高嶺土的表面改性是一項(xiàng)非常重要的深加工手段,并且也是擴(kuò)大煅燒高嶺土應(yīng)用領(lǐng)域和提高有機(jī)高分子制品質(zhì)量的一條十分有效的途徑.

1 煤系高嶺巖的特征

煤系高嶺巖主要是由高嶺石及炭質(zhì)等組成.礦石一般為灰色——灰黑色,塊狀構(gòu)造,殼狀斷口,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),蠕蟲狀晶體、結(jié)晶有序度高.是我國(guó)北方石炭,二疊煤層中夾有的一種高嶺巖的煤石.這種高嶺巖與煤層具有一定的成因關(guān)系,一般厚度可達(dá)0.3~1.5米,而且有的礦段可出現(xiàn)數(shù)層.這已成為我國(guó)的一種獨(dú)特的高嶺土資源,并且已在高嶺土工業(yè)中占有舉足輕重的地位.

高嶺巖經(jīng)過粉碎,超細(xì)及不同條件的煅燒,可以得到不同用途的煅燒高嶺土,其中煅燒是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié).高嶺巖的煅燒過程是:在110℃時(shí),排除吸附水;110℃~400℃時(shí),排除層間水;500℃~600℃時(shí),發(fā)生分解;從600℃開始,形成偏高齡石;925℃~1050℃時(shí),形成鋁硅尖晶石;1300℃時(shí),就構(gòu)成了莫來石.在高嶺巖煅燒過程中,晶體結(jié)構(gòu)的變化,化學(xué)活性的改變,是與煅燒溫度、結(jié)晶有序度、伴生組份的種類和煅燒氣氛等有著密切的關(guān)系.對(duì)于高嶺巖的煅燒溫度并非愈高愈好,而是要根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,選擇不同的煅燒溫度.如電纜用的改性煅燒高嶺土,應(yīng)選擇結(jié)晶有序度高的礦石,使其有較高的脫羥溫度,較長(zhǎng)時(shí)間的脫羥過程,在一定的溫度和條件中煅燒,才可得到較高化學(xué)活性的電纜用煅燒高嶺土.

2 煅燒高嶺土的表面改性

煅燒高嶺土的表面改性,是根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地將其表面原有的物理及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改變.即是利表面化學(xué)的方法,將有機(jī)物分子中的官能團(tuán)在高嶺土顆粒表面產(chǎn)生吸附作用或化學(xué)反應(yīng),對(duì)其顆粒表面進(jìn)行包覆,使高嶺土的表面有機(jī)化,達(dá)到改性的目的.

煅燒高嶺土表面性質(zhì)的改變,是依靠各種表面改性劑在其顆粒的表面進(jìn)行包覆等實(shí)現(xiàn)的.所以表面改性劑的選擇和應(yīng)用是高嶺土表面改性的關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)表面改性的工藝和設(shè)備也是表面改性技術(shù)很重要的部分.

(1)表面改性機(jī)理

煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料的結(jié)合,實(shí)質(zhì)上在于兩者的界面能否具有良好的結(jié)合.經(jīng)表面改性的煅燒高嶺土分散到有機(jī)高分子材料中,在該區(qū)域中有機(jī)高分子材料—改性劑—煅燒高嶺土間可以產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合,將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合到一起,使煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料間產(chǎn)生一種具有特殊功能的"分子橋",這一"橋梁"的作用就主要取決于表面改性劑.煅燒高嶺土表面改性使用的表面改性劑,一般選擇的是以硅烷偶聯(lián)劑類為主體的改性劑.

(2)表面改性劑的選擇

在選擇表面改性劑時(shí),應(yīng)根據(jù)高嶺土所需要填到加有機(jī)高分子材料及制品的配方、加工工藝等技術(shù)性能的要求,選擇不同的改性劑和助劑.煅燒高嶺土的表面改性,一般主要選擇硅烷偶聯(lián)劑.對(duì)特殊要求的高分子制品,要選擇兩種或兩種以上的改性劑,配制成復(fù)合類的表面改性劑.也可根據(jù)材料的性能和技術(shù)要求等,分別加入一定量的助劑或其它改性劑,配合硅烷偶聯(lián)劑對(duì)煅燒高嶺土進(jìn)行有效的表面改性,使煅燒高嶺土的產(chǎn)品性能和質(zhì)量能達(dá)到更高的要求.一般表面改性劑的用量為0.3%~1.0%.

(3)表面改性工藝

根據(jù)煅燒高嶺土表面改性的機(jī)理,對(duì)其進(jìn)行表面改性.首先要對(duì)煅燒高嶺土進(jìn)行加熱,以便與硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng),并且要求對(duì)高嶺土在動(dòng)態(tài)的狀況下保持一定的溫度.只有這樣才能把反應(yīng)過程中及反應(yīng)后多余的水脫除,以達(dá)到偶聯(lián)劑與高嶺土形成穩(wěn)定和牢固的共價(jià)鍵結(jié)合.由此一定要根據(jù)表面改性的機(jī)理來確定表面改性的工藝.

煅燒高嶺土在表面改性過程中,是要在一定的溫度下進(jìn)行反應(yīng)的.所以,首先就對(duì)煅燒高嶺土進(jìn)行動(dòng)態(tài)加熱到一定的溫度(100℃)時(shí),在其高速動(dòng)態(tài)的狀況下,加入水解后的硅烷偶聯(lián)劑或復(fù)合改性劑,以霧化法加入.在偶聯(lián)劑與高嶺土反應(yīng)過程中的溫度應(yīng)保持在120℃以內(nèi),在高速動(dòng)態(tài)的狀況下,保持的時(shí)間,應(yīng)在3~5分鐘左右,不同的反應(yīng)時(shí)間其表面活化度是不同的.

(4)煅燒高嶺土表面改性設(shè)備

表面改性設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)煅燒高嶺土的表面改性機(jī)理所確定的工藝為基準(zhǔn),選擇和配套表面改性機(jī)組.

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的表面改性設(shè)備種類比較少,而且對(duì)超細(xì)煅燒高嶺土的表面改性效果也不十分理想.不管用什么樣的表面改性設(shè)備,都要以表面改性的機(jī)理和表面改性的工藝為依據(jù),來滿足煅燒高嶺土表面改性工藝的技術(shù)要求.應(yīng)要求表面改性設(shè)備能在高速動(dòng)態(tài)狀況下加熱到100℃以上,并能保溫,可排除水蒸氣,表面改性劑可以分加,有分級(jí)的功能,解決表面改性的團(tuán)聚問題,保證產(chǎn)品的質(zhì)量.