我國非金屬礦的加工及應用技術已在快步的發(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用.煤系煅燒高嶺土不僅可以降低有機高分子制品的成本,更主要的是能夠提高產品的部分性能,使產品的質量有所提高.
但是由于煤系煅燒高嶺土與有機高分子材料基質的界面性質有所不同,由此可造成親合性差,使之影響到煅燒高嶺土在有機高分子材料中的分散和交聯(lián)等作用,從而導致有機高分子制品的力學性能及其它部分性能的下降,因此要對煅燒高嶺土進行表面改性.
改性與應用
對煅燒高嶺土表面改性可改變高嶺土粉體界面的性質,改善煅燒高嶺土與有機高分子材料的親合性,提高在有機高分子材料中的分散性,增強制品的多種性能,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非常重要的深加工手段,并且也是擴大煅燒高嶺土應用領域和提高有機高分子制品質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等組成.礦石一般為灰色——灰黑色,塊狀構造,殼狀斷口,隱晶質結構,蠕蟲狀晶體、結晶有序度高.是我國北方石炭,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系,一般厚度可達0.3~1.5米,而且有的礦段可出現(xiàn)數(shù)層.這已成為我國的一種獨特的高嶺土資源,并且已在高嶺土工業(yè)中占有舉足輕重的地位.
高嶺巖經過粉碎,超細及不同條件的煅燒,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環(huán)節(jié).高嶺巖的煅燒過程是:在110℃時,排除吸附水;110℃~400℃時,排除層間水;500℃~600℃時,發(fā)生分解;從600℃開始,形成偏高齡石;925℃~1050℃時,形成鋁硅尖晶石;1300℃時,就構成了莫來石.在高嶺巖煅燒過程中,晶體結構的變化,化學活性的改變,是與煅燒溫度、結晶有序度、伴生組份的種類和煅燒氣氛等有著密切的關系.對于高嶺巖的煅燒溫度并非愈高愈好,而是要根據(jù)不同的應用領域,選擇不同的煅燒溫度.如電纜用的改性煅燒高嶺土,應選擇結晶有序度高的礦石,使其有較高的脫羥溫度,較長時間的脫羥過程,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)應用的需要有目的地將其表面原有的物理及化學性質進行改變.即是利表面化學的方法,將有機物分子中的官能團在高嶺土顆粒表面產生吸附作用或化學反應,對其顆粒表面進行包覆,使高嶺土的表面有機化,達到改性的目的.
煅燒高嶺土表面性質的改變,是依靠各種表面改性劑在其顆粒的表面進行包覆等實現(xiàn)的.所以表面改性劑的選擇和應用是高嶺土表面改性的關鍵技術,同時表面改性的工藝和設備也是表面改性技術很重要的部分.
(1)表面改性機理
煅燒高嶺土與有機高分子材料的結合,實質上在于兩者的界面能否具有良好的結合.經表面改性的煅燒高嶺土分散到有機高分子材料中,在該區(qū)域中有機高分子材料—改性劑—煅燒高嶺土間可以產生一種良好的界面結合,將兩種性質差異較大的材料牢固的結合到一起,使煅燒高嶺土與有機高分子材料間產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,應根據(jù)高嶺土所需要填到加有機高分子材料及制品的配方、加工工藝等技術性能的要求,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,配制成復合類的表面改性劑.也可根據(jù)材料的性能和技術要求等,分別加入一定量的助劑或其它改性劑,配合硅烷偶聯(lián)劑對煅燒高嶺土進行有效的表面改性,使煅燒高嶺土的產品性能和質量能達到更高的要求.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理,對其進行表面改性.首先要對煅燒高嶺土進行加熱,以便與硅烷偶聯(lián)劑反應,并且要求對高嶺土在動態(tài)的狀況下保持一定的溫度.只有這樣才能把反應過程中及反應后多余的水脫除,以達到偶聯(lián)劑與高嶺土形成穩(wěn)定和牢固的共價鍵結合.由此一定要根據(jù)表面改性的機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行反應的.所以,首先就對煅燒高嶺土進行動態(tài)加熱到一定的溫度(100℃)時,在其高速動態(tài)的狀況下,加入水解后的硅烷偶聯(lián)劑或復合改性劑,以霧化法加入.在偶聯(lián)劑與高嶺土反應過程中的溫度應保持在120℃以內,在高速動態(tài)的狀況下,保持的時間,應在3~5分鐘左右,不同的反應時間其表面活化度是不同的.
(4)煅燒高嶺土表面改性設備
表面改性設備的選擇應根據(jù)煅燒高嶺土的表面改性機理所確定的工藝為基準,選擇和配套表面改性機組.
目前國內生產的表面改性設備種類比較少,而且對超細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備,都要以表面改性的機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要求.應要求表面改性設備能在高速動態(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,有分級的功能,解決表面改性的團聚問題,保證產品的質量.