山东埃尔派 | 点击量：0次 | 2021-03-19
高岭土表面改性药剂、工艺、设备及效果影响因素
摘要
高岭土是塑料、橡胶、纤维等高分子材料重要的功能填料，但由于其与有机聚合物的界面性质不同，存在相容性差、难以均匀分散的缺点，过多地添加还会导致材料机械强度下降、易脆化等。因此，除了白度和粒度方面的要求外，还必须对高岭土进行表面改性处理，以改变其表面的物理化学性质，提高相容性和分散性。
高岭土是塑料、橡胶、纤维等高分子材料重要的功能填料，但由于其与有机聚合物的界面性质不同，存在相容性差、难以均匀分散的缺点，过多地添加还会导致材料机械强度下降、易脆化等。因此，除了白度和粒度方面的要求外，还必须对高岭土进行表面改性处理，以改变其表面的物理化学性质，提高相容性和分散性。
1、高岭土常用表面改性剂
目前，高岭土最主要的改性方法是表面化学改性，常用的表面改性剂主要有硅烷偶联剂、有机硅（油）或硅树脂、表面活性剂及有机酸等。
（1）硅烷偶联剂
硅烷偶联剂是高岭土填料最常用和最有效的表面改性剂，由于硅烷偶联剂的R为亲有机基团，所以煅烧高岭土经表面改性后即能够与有机基体如橡胶、塑料相容。当改性的高岭土作为填料用于橡胶中时，在硫化过程中R基团会与橡胶大分子发生反应，从而使高岭土分子完全分散、融合在橡胶基体分子中。
使用硅烷偶联剂的处理工艺比较简单，一般是将高岭土粉和配置好的硅烷偶联剂一起加人改性机中进行表面包覆处理。工艺可以连续进行，也可以批量进行。
影响最终处理效果的因素主要是高岭土粉的粒度、比表面积及表面特性（表面官能团及活性）、硅烷偶联剂的品种、用量、用法、改性设备的性能以及表面改性处理的时间、温度等。
（2）硅油
用于电线电缆填料（如聚氯乙烯）的高岭土除了硅烷偶联剂之外，还常利用1%-3%的硅油进行表面改性，改性工艺过程和设备与用硅烷偶联剂相似。
经硅油处理后的煅烧高岭土粉，用做电线电缆的填料，不仅可以提高电缆的机械物理性能，而且还可以改善或提高电缆的电绝缘性能和疏水性能，在潮湿和寒冷环境下的电绝缘性能提高显著。
（3）不饱和有机酸
采用不饱和有机酸，如乙二酸、癸二酸、二羧基酸等也可用于胺化后的高岭土粉体的表面改性，这种改性高岭土可用做尼龙66等的填料。
（4）阳离子表面活性剂
如十八烷基胺等也可用于高岭土粉体的表面改性。其极性基团通过化学吸附和物理吸附与高岭土颗粒表面作用。经有机胺改性后的高岭土表面疏水性增强。
（5）无机表面改性剂
二氧化钛、碳酸钙、硫酸钙等也可以用于煅烧高岭土的表面改性。改性方法是在水溶液中的表面沉淀反应，改性产物经洗涤、过滤和干燥后即得表面二氧化钛包膜的煅烧高岭土。
2、高岭土表面改性工艺
高岭土的表面化学改性主要是采用预处理法，工艺方法一般有3种：湿法、半干法和干法。
（1）湿法工艺由于需要制浆、脱水和干燥等过程，工艺复杂，特别是脱水过滤，如果矿物颗粒粒径小于1250目，将极为困难和复杂。
（2）半干法改性工艺是在搅拌器中边搅拌粉体，边将适量的水、改性剂及其助剂的混合物加入，同时加热到一定温度，反应一定时间后即完成改性剂与矿物粉体的偶联作用。反应后的产物呈非常黏稠状态，再经稍微干燥即得改性产品。半干法工艺省去了脱水过程，因此生产效率较高。
由于在湿法和半干法工艺中加入了较多的水、偶联剂和助剂的混合物，再通过搅拌混合，粉体颗粒很容易全部与偶联剂分子接触，从而使改性剂分子容易均匀地包覆在颗粒表面。所以这两种工艺所需搅拌机的转速不要求很高，设备造价比较低。
（3）干法改性工艺是将偶联剂及其助剂用微量的稀释剂稀释后，在改性机中，边搅拌边将其加入，或利用喷雾的方法加入，同时加热到一定温度，反应一定时间后完成偶联作用，得到改性产品。干法改性工艺对技术和设备要求比较高。该工艺完全省去了脱水和干燥过程，改性工艺简单。
3、高岭土表面改性设备
目前，国内高岭土表面改性的设备有高速捏合机和连续改性机，也可用高频振动研磨机、球磨机等对高岭土进行表面改性。
（1）高速捏合机改性
高速捏合机又名高速混合机，是目前国内高岭土改性的主流设备。一台用作高岭土改性的合格高速捏合机需关注以下几方面：
a）叶轮的数量、位置、半径以及形状，叶轮与混合机内壁的间隙；
b）搅拌速度是否可调；
c）是否有合适的排气装置；
d）是否有恒温装置。
这些性能都是影响高岭土改性效果的重要指标。
由于高速捏合机是一种间隙式改性设备，故会造成产品质量的参差不齐，降低生产效率。另外，改性过程中高岭土粉体的纳米效应与小尺寸效应会使表面改性剂与粉体颗粒在未充分接触、包覆或化学反应的情况下因表面能高以及高速运动的碰撞摩擦而产生静电，继而凝聚成为一个个“粉团”。这就是复合材料中所谓的“白点”。
（2）连续改性机改性
连续改性机具有产品质量较稳定、生产效率较高的优点，在国外使用较为成熟。目前，国内主要用在滑石粉、云母、碳酸钙等粉体的改性中。
由于高岭土的黏结性较大，螺旋输送时易造成堵料现象，分散效果不及使用高速捏合机，所以，国内使用连续改性机改性高岭土受到一定的限制，需进一步改进。
（3）高频振动研磨机表面改性
该研磨机依靠激振器使筒体内的介质产生高频率、小振幅的振动。由于振动加速度比重力加速度大得多，可使磨管内的介质产生高强度的冲击和旋转运动，且高岭土可以快速升温，能使物料在强力振动和一定的温度下快速有效地被打散混合。
该设备可将煅烧后高岭土的打散和表面改性一次完成。但由于机械力的强大冲击作用，会使部分本已包覆好的颗粒重新冲击出新的断面，从而影响最终改性效果。
（4）球磨机
湿法改性对设备的要求较低，现在最常用的设备是球磨机，其主要方法是将高岭土除沙后制成一定浓度的浆体，在加热条件下与改性剂混合，然后在球磨机中改性一定时间，离心液体，烘干沉淀物后粉碎。有研究发现湿法超细粉碎煤系煅烧高岭土颗粒，可以导致晶体结构发生晶格畸变和非晶化，会使颗粒密度降低，白度有所提高。
4、高岭土表面改性效果影响因素
影响高岭土表面改性效果的因素主要是粒度、比表面积及表面特性（表面官能团及活性）、改性剂的品种、用量、用法、改性设备的性能以及表面改性处理的时间、温度等。
（1）高岭土的表面官能团
高岭土的理化性能是进行表面改性的基础，特别是表面官能团，决定着高岭石在一定条件下的吸附特性、化学反应活性、电性和润湿性等。
高岭土属于层状硅酸盐矿物，经粉碎加工后的高岭土颗粒表面有羟基和含氧基团，具有酸性。pH值在6-7之间。在超细粉碎、煅烧过程中形成的Si-O，Al-O键成了主要的表面官能团，尤其是Si-O-Al键断裂后形成的Al-O键，将在改性反应中起到重要作用。而此时由于煅烧后脱去羟基，利用电位计测定的pH值一般为5.6-6.1，酸性进一步增强。
因此，煤系高岭土无论煅烧与否，表面均呈弱酸性，最适宜于用硅烷表面改性剂进行表面改性。
（2）高岭土的结构缺陷
此外，煅烧在高岭土表面形成的结构缺陷，也将成为改性化学反应的主要活性点。尤其是高岭土煅烧后，除表面官能团发生变化外，内部结构也发生了变化，特别是当煅烧温度超过600℃后，煅烧高岭土已处于一种无序的非晶质相。高岭土的这种结构无序化必将影响其理化性能，进而对高岭土的表面改性工艺、机理及效果造成影响。
（3）高岭土的粒度分布
高岭土经过深加工后的粒度除了细度要求外，其粒度分布的范围、分布特征（均匀性）都对高岭土在造纸、涂料、橡胶和塑料工业中的应用有着极大的影响。同时，粒度分布对高岭土改性的影响非常大，它决定着偶联剂的用量和反应条件的确定等。
（4）高岭土的比表面积、表面能
高岭土的比表面积、表面能主要与其粒度组成关系密切。粒度越细，比表面积和表面能就越高，与有机化合物之间的结合能力就越强。此外，煤系高岭土煅烧后，由于失去羟基、表面存在大量的断键等因素而显示出极大的表面活性，表面能也相应增加。
但高岭土比表面积和表面能太高时易发生团聚现象，填充橡胶、塑料等有机高分子材料时不能均匀分散，反而不利于制品性能的提高。从这点来说，必须对煤系高岭土进行表面改性，以降低其表面能。
（5）表面改性剂的种类、用量和使用方法
表面改性剂的种类、用量和使用方法直接影响着表面改性的效果。如果仅从表面改性剂分子与无机粉体表面相互作用的角度来考虑，当然是二者之间的相互作用越强越好，但是在实际操作中，还必须综合考虑改性产品的成本、应用目的等因素。
表面改性剂的使用方法也非常重要，使用方法得当，不仅可以提高表面改性效果，而且还会减少用量，降低生产成本。在对粉体进行表面改性时，可以通过添加适量的溶剂、稀释剂以及采用乳化、喷雾等方法以保证改性剂在物料的表面均匀分散，提高改性剂在粉体中的分散度。
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