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| 重晶石超细粉体的表面改性与应用 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-05-27 09:40:48 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）目前，国内对非金属矿超细粉体的需求和开发日趋增加，其中对高岭土、重质碳酸钙、滑石、石墨等粉体的改性研究和应用开发较多，但对重晶石的改性研究和应用开发相对较少。应加强重晶石粉体的改性和应用开发研究，扩大重晶石的应用领域。
但是，无机矿物粉体材料与有机聚合物在化学结构和物理形态上存在着显著的差异，两者的表面性质不同，导致其相容性和亲和性有较大的差异。重晶石用作填料时，很难均匀分散于有机聚合物中而影响复合材料的机械性能，并难以发挥无机填料的功能性、表面活性和小尺寸等优良特性。
因此，要对重晶石粉体进行表面改性处理，可以选用适宜的改性剂作用于重晶石表面，提高改性材料的物理力学性能，使重晶石粉体有更广泛的应用。
1 重晶石表面改性改性机理、方法概述
1.1改性机理
无机矿物粉体表面改性，主要是利用通过化学改性剂在矿物粉体表面吸附、包覆来实现。通过某些带有两性基团亲油和亲水基团的小分子或者高分子化合物对进行符合的两种物质中的一种或两种进行表面改性，通过化学反应或物理包覆使矿物表面由亲水性变为疏水性，增强与有机高聚物的相容性、亲和力，并提高分散性，从而使得有机物与无机物两种物质更好地结合在一起。
1.2改性方法
表面改性的方法有物理作用吸附法、包覆法或物理-化学法等。一般来讲，矿物颗粒表面改性的方法主要有表面涂覆改性、 沉淀反应改性、机械化学改性、接枝改性、表面化学改性 、高能量表面改性几种。
综合以上几种方法，在重晶石粉体的表面改性中应用较广的有表面涂覆改性、沉淀反应改性、机械化学改性和表面化学改性，其中表面化学改性和表面涂覆改性是最广泛和常用的改性方法。
1.3表面化学改性剂
改性粉体的表面改性剂也称作活化剂，它能与重晶石表面起作用。其一端通过化学键力、极性与极性间亲和力等的综合作用结合到重晶石表面，其中主要是化学吸附作用。所选用的改性剂应该是一类具有一个以上能与矿物粉体表面作用的官能团和一个以上能与有机聚合物基结合的基团。活化剂对矿物的表面改性处理具有决定性作用，它往往都有其特定的应用背景或应用领域。因此，选用表面改性剂必须考虑被处理物料的应用对象，由于矿物粉体表面改性后涉及的应用领域广泛，表面改性剂的种类也多种多样。
表面改性剂可以分为无机改性剂和有机改性剂两大类。无机改性剂主要指一些无机颜料，通过一些化学反应沉积或镀膜到矿物粉体表面，形成装饰性涂层。有机表面改性剂的种类很多，主要包括偶联剂、表面活性剂、聚合物类以及各种树脂类（见表1）。
表1 有机改性剂类型与种类
| 序号 |
改性剂类型 |
主要种类 |
| 1 |
偶联剂 |
硬脂酸偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂、铝酸酯偶联剂等 |
| 2 |
表面活性剂 |
高级脂肪酸、高级脂肪酸盐、不饱和有机酸等 |
| 3 |
聚合物类 |
聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等 |
| 4 |
树脂类 |
环氧树脂类、热塑性树脂类等 |
以上几类改性剂中，偶联剂、表面活性剂和树脂类改性剂均在重晶石粉体表面改性中得到了较好的应用，能很好地包覆在重晶石粉体的表面，形成牢固的包膜，与有机质漆料具有很好的亲和性，不仅能防止重晶石粉沉底结块，而且能增加(或不影响)漆膜的光泽、柔韧度和附着力。
2 重晶石粉体的改性及其应用
2.1硬脂酸改性重晶石超细粉体
将硬脂酸溶于乙醇，再加入一定量经过干燥的重晶石超细粉，搅拌加热，反应30～60min后停止，即得到硬脂酸改性重晶石超细粉。
重晶石具有密度大、化学性质和热学性质稳定等特点，在油漆工业中，重晶石粉填料可以增加漆膜厚度、强度及耐久性。改性后的重晶石粉是否可作为油漆填料使用，首先，硬脂酸能均匀的包覆在重晶石超细粉表面，形成牢固的包膜，与有机质漆料具有很好的亲和性；其次，表面张力显著减小，与有机质油漆有良好的相容性，遮盖力得到改善。改性重晶石超细粉在F03-1红酚醛调和漆中的应用实验表明，其性能均能符合有关质量指标，部分性能指标优于试验厂家的原配方漆。
2.2硅烷偶联剂WD-60改性重晶石矿超细粉体
硅烷偶联剂分散在乙醇水溶液中，用冰醋酸调pH值至3.0～4.0，配好改性剂；调配好的改性剂加入三口烧瓶，再加入一定量经过干燥的重晶石超细粉体，加热搅拌，冷凝回流；反应30min后停止，冷却、过滤、真空干燥，得到硅烷偶联剂改性重晶石粉体。
由硅烷偶联剂进行表面改性的重晶石超细粉体作为高分子材料的填料，与材料有良好的相容性和亲和力，均匀分布在基体中，可使填充体系的强度、模量均有明显的提高，改性效果良好，被广泛应用于塑料、橡胶、电线电缆、医药、涂料、油漆、日用化工等行业中。
2.3铝酸酯偶联剂和硬脂酸改性重晶石超细粉体
铝酸酯具有与无机填料表面反应活性大、色浅、无毒、无味、热分解温度较高，适用范围广，使用时无需稀释以及包装运输和使用方便等特点，而且铝酸酯的价格较低廉，来源广泛。硬脂酸则能均匀的包覆在重晶石超细粉表面，形成牢固的包膜，与有机质漆料具有很好的亲和性。将二者结合改性重晶石粉体能使其表面的疏水性和分散性能均得到提高。
用铝酸酯和硬脂酸改性试验结果见表2。由表2看出，用铝酸酯和硬脂酸改性重晶石粉体，可使其粉体亲水性变为疏水性。活化指数可反映出粉体表面活化的程度，也即表面处理效果的好坏。重晶石粉密度较大，改性前表面呈极性状态，在水中自然沉降，H=0；改性后重晶石粉由极性转变成非极性，H>0，不被水润湿，像油膜一样漂浮于水面上，说明改性后表面疏水性好。
另外，其分散性也好，用43μｍ筛进行筛分，改性重晶石粉几乎全部通过，而未改性时则不能通过。一般粉体粒子容易团聚，粒子越细，团聚越严重。而改性重晶石粉不团聚易分散。因此在使用时便于和其它物料混合，在聚合物中易分散。
表2 铝酸酯、硬脂酸改性试验结果
| 样号 |
铝酸酯用量（%） |
活化指数（H） |
硬脂酸用量（%） |
活化指数（H） |
| 1 |
0.1 |
0.05 |
0.1 |
0.1 |
| 2 |
0.5 |
0.1 |
0.5 |
0.2 |
| 3 |
1 |
0.15 |
1 |
0.25 |
| 4 |
5 |
0.20 |
5 |
0.3 |
重晶石超细粉体的表面官能团呈极性状态，SA—101改性剂是几种有机物的复合物，在改性过程中，SA—101的极性基团如-COOH、-OH、-SO3等牢固地吸附在重晶石粉体表面，非极性基团排列在外，形成均匀致密的包膜，使重晶石粉体表面结构和状态发生变化，引起表面性能的改变。用SA—101树脂改性重晶石超细粉体，应用效果很好，符合红醇酸调合漆指标，可作为油漆填料使用。
2.4硬脂酸钠改性纳米重晶石粉体
纳米重晶石是一种新型的无机材料，它既具有普通重晶石的特点，又具有纳米材料所特有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性质。其制备方法是采用新型湿法研磨技术，即将微米级天然重晶石粉体加到含载体、球磨珠和分散剂的研磨机中进行研磨处理，将所得产物进行过滤、洗涤、干燥，即可获得纳米级重晶石粉体。用现代分析仪器对其表征分析的结果表明，纳米重晶石粉体为简单斜方型晶体，粒径大多在40～50nm之间，粒子外貌规则，一般均呈球形。从粉体表面结构来看，纳米重晶石具有大的比表面积，大的孔径和孔容。
将纳米重晶石粉体进行活化处理，将其浆料加入三口烧瓶中，控制搅拌速率及处理温度，加入改性剂硬脂酸钠，处理一定时间后趁热过滤，用热的无水乙醇洗涤滤饼，除去未反应的改性剂并置换出其中水分，滤饼自然干燥一定时间后，再置于真空干燥箱中干燥(温度不超过100℃)。采用硬脂酸钠对纳米重晶石粉体活化处理，不仅可以使纳米重晶石粉体表面由亲水性变为疏水性，而且还可提高纳米粒子的分散性，硬脂酸钠的适宜用量为5%。
研究表明，纳米粉体的加入对开发高性能或功能性涂层有利，开发的涂层材料包括抗紫外、抗静电抗菌、吸波、净化空气等涂层材料。
纳米重晶石粉体的加入，在改善涂层柔韧性和应变性能的同时，不会影响到涂层的硬度，达到硬度和柔韧性的良好平衡。通过扫描电镜（SEM）显示，颜料填料均匀地嵌布在基体树脂中，起到了改善涂层柔韧性和提高涂层耐腐蚀的作用。
3展望
重晶石产品广泛应用于石油工业、化学工业、油漆工业以及金属铸造工业。另外，重晶石也可部分用于制造运输设备的摩擦片。改性重晶石超细粉和有机高聚物具有良好的相容性、亲和力，可均匀分散在基体中；在单面铜版纸、涂料、油漆中可以代替价格昂贵的沉淀硫酸钡，降低生产成本。采用其它改性剂对重晶石粉体改性仍有很大的前景，仍需运用更高技术手段和方法不断探索开发。
我国重晶石产品在世界重晶石市场中占有重要地位，目前的国内市场对重晶石粉体的需求也不断增大。为此，对资源有限的重晶石，我国应加强超细重晶石粉体的改性深加工研究和开发，提高产品的技术含量和扩大其应用领域，增强外贸出口的竞争力。
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