重晶石用作填料时，可以改善无机/聚合物复合材料的加工性能、物理性能、化学稳定性，并大大降低树脂用量，降低复合材料的成本]。此外，由于重晶石表面呈亲水性，与有机高聚物基质的界面性质的差异，表面效应的存在，将其作为填料应用于有机材料时，由于两者物质物理化学性质的差异，在有机材料中很难均匀分散，从而影响复合材料的综合性能。
　　
　　目前，最有效的方法是对重晶石进行表面改性，使改性剂在重晶石表面形成吸附层或单层膜，改变其表面特性，提高其与有机物之间的分散性和相容性，拓展其应用范围，增加产品的附加值。
　　
　　在重晶石的表面改性过程中，常用的主要改性剂是有机表面改性剂、无机物表面改性剂及复合表面改性剂。
　　
　　1、阴离子表面改性剂
　　
　　重晶石结构中S-O键单键键长0.1448nm比Ba-O键单键键长0.2814nm要短，Ba-O键键强较S-O键键强弱而更容易发生断裂，使得其表面易暴露大量的带正电的Ba2+离子和带负电荷的O-离子。此外，重晶石表面的电荷会随所处环境的pH值而变化。当重晶石粉体表面带正电荷时，需使用阴离子表面改性剂，改善重晶石粉体之间分散性。目前，脂肪酸类阴离子表面改性剂是重晶石改性常用的改性剂，其中硬脂酸及其盐类应用最广泛。
　　
　　TANG等将重晶石和石蜡浆料的混合物用于沉积的3D打印，研究发现，当加入1.8%硬脂酸时，重晶石在石蜡的浆料混合物中的分散变好且趋于稳定，这有助于提高3D成型零件的机械性能。LOPRESTI等将硬脂酸和十二烷基硫酸钠对重晶石进行表面改性。研究发现，将粒径更小、经改性后的重晶石添加到环氧树脂中，有助于降低重晶石在复合材料中的沉降和聚集并增强其机械性能，其将有望成为铅和钢等X射线屏蔽材料的廉价替代品。王健等研究发现经油酸钠改性后的重晶石的接触角达到128°，具有较好的疏水特性这有助于重晶石均匀地分散在基体中，并提高与有机高聚物相容性。王威等发现硬脂酸牢固地包覆在重晶石表面并形成疏水膜，减少了重晶石的表面的极性基团与表面张力，改性后的重晶石具有与沉淀硫酸钡相当的性能，可作为沉淀硫酸钡的一种廉价替代品
　　
　　重晶石和硬脂酸表面改性剂之间的相互作用机理：基于以上研究发现，脂肪酸类阴离子表面改性剂其分子长链烷基R一端与聚合物结构相近，两者有很好的亲和性；分子的另一端的－COOH可与重晶石发生物理化学吸附，使得非极性基团朝向水中，重晶石表面呈疏水性。但是，随着阴离子表面改性剂价格上涨，急需寻找性价比更高的改性剂替代，如棕榈酸、椰油酸钠等。
　　
　　2、阳离子表面改性剂
　　
　　当重晶石粉体表面带负电荷时，常常采用阳离子表面改性剂，一般为高级铵盐，如：十二烷基三甲基溴化铵。
　　
　　黄芸研究发现当添加4%的十二烷基三甲基溴化铵作为改性剂时，在柴油中具有较好的分散性及稳定性；当改性剂用量超标时，会在重晶石表面形成胶团，降低改性效果。因此，控制改性剂的使用量在重晶石改性过程中具有重要作用。李琳琳研究发现大部分的十二烷基三甲基溴化铵吸附在纳米重晶石表面，降低了重晶石的表面自由能并改善了其疏水性，减小了与液体石蜡油之间的摩擦力，与其相容性变好。
　　
　　重晶石和阳离子表面改性剂之间的相互作用机理：带负电荷的重晶石表面与阳离子表面改性剂中带正电的活性基团的反应从而发生吸附作用，从而颗粒之间的静电排斥力和空间位阻以减少颗粒之间的团聚；同时，长链烷基一端可与聚合物反应，可显著改善颗粒与聚合物之间的界面性能。但是由于其毒性、价格高昂，给其应用带来了困难，因此需要进一步开发绿色、无毒、低廉的高效新型阳离子表面改性剂。
　　
　　3、非离子表面改性剂
　　
　　非离子表面改性剂在水溶液中不电离，其主要通过色散力、氢键、疏水效应在固-液界面上与填料和高分子材料发生作用，从而提高体系的分散性和相容性。其因改性效果优异、原料来源丰富及价格低廉等优势而被广泛应用。常用的非离子表面改性剂，如：聚乙二醇型、多元醇型等，主要用于高岭土、重质碳酸钙、膨润土等粉体的改性，但用于重晶石表面改性的很少。
　　
　　张凤仙等研究发现当仅使用非离子表面活性剂改性的重晶石应用于油漆时，易因发生沉淀结块现象影响产品性能。已有研究表明，非离子表面改性剂与其他改性剂结合有助于提升高岭土、膨润土等粉体的改性效果，因此，为了弥补单一使用非离子表面改性剂的缺点并获得更好的改性效果，探索其与其他改性剂搭配使用方案，如：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂，这将有助于提高重晶石的改性效果及应用价值。
　　
　　4、硅烷偶联剂
　　
　　硅烷偶联剂是一种具有特殊结构的低分子有机硅化合物的两亲性表面活性剂。它的分子结构包含可水解的烷氧基团X（如卤素、酰氧基等），以及与有机聚合物分子具有亲和力或反应能力的活性官能团R（如氧基、疏水基、环氧基、氨丙基等）。
　　
　　HATIPOGLU等将氨基丙基三乙氧基硅烷处理后的重晶石与聚乳酸在5%~20%的负载范围内复合。研究发现，直接使用重晶石粉末通常表现出在聚合物基体中的分散性较差，经过硅烷处理后的重晶石一定程度增强了复合材料的拉伸强度和冲击强度值。当硅烷化的重晶石粉的浓度为5%时，填充复合材料比未填充聚乳酸具有更高的储能模量，更低的吸水率。ELKAWASH等将氨基丙基三乙氧基硅烷处理后的重晶石和膨润土两种矿物填料通过挤出工艺掺入低密度聚乙烯(LDPE)中。研究结果表明，硅烷化重晶石填充的复合材料具有防水性好、分散性高的特点，而未处理的重晶石和膨润土在聚合物基体出现剥离现象。经过硅烷处理的矿物提高了复合材料的拉伸和冲击强度值、储能模量和玻璃化转变温度。这是因为它们促进了矿物和LDPE基体之间黏性。徐妍等将硅烷偶联剂改性的纳米重晶石矿粉添加到PVC中，具有补强PVC的作用，一定程度上加强了PVC的拉伸强度，这归功于硅烷偶联剂提高了重晶石在聚合物基体中的分散性及界面性能。
　　
　　一般来说，大多数硅烷偶联剂干法和湿法工艺均适用，但根据重晶石改性之后的不同用途和目的需择优选择硅烷偶联剂。由硅烷偶联剂改性的重晶石粉体作为高分子材料的填料时，其可水解的烷氧基团X一端与重晶石表面的羟基反应，活性官能团R一端与有机分子反应，在颗粒与聚合物之间由于偶联剂的作用产生一种良好的界面效果并牢固黏合，从而增强与高分子材料的相容性和亲和力。
　　
　　5、钛酸酯偶联剂
　　
　　钛酸酯偶联剂是已经成为继硅烷偶联剂之后复合材料不可或缺的又一类偶联剂，适用于大多数的无机颗粒改性。根据其化学结构可分为单烷氧基型、螯合型和配位型。
　　
　　胡春艳发现经单烷氧基型钛酸酯L-4疏水调控后的重晶石吸油量降低，因其在涂料与重晶石之间建立“分子桥”，提升了粉末涂料的综合性能。雷廷廷等研究发现经单烷氧基钛酸酯偶联剂改性后的重晶石粉体未发生明显团聚现象，变成疏水性，这可能是由于钛酸酯偶联剂与重晶石表面的羟基发生了化学键合作用从而在重晶石表面形成疏水的单分子层。
　　
　　一般来说，除含乙醇胺基和焦磷酸基的单烷氧基型钛酸酯偶联剂外，大多数单烷氧基型因其耐水性差仅适用于干法工艺，但螯合型和配位型以其优异性能干法和湿法工艺均适用。
　　
　　钛酸酯偶联剂改性重晶石机理：重晶石粉体表面的羟基或自由质子与钛酸酯偶联剂中的烷基发生化学作用，在其表面覆盖了一层有机单分子膜从而改变重晶石表面性质，改善其与填料和树脂的湿润性、相容性、分散性。
　　
　　研究表明，硅烷偶联剂的改性效果及对象易受其烷氧基团X的影响，限制其应用；钛酸酯偶联剂存在价格较贵，有毒性、易受温度影响等不足。因此，需要进一步开发毒性低、性价比高、适用范围广的偶联剂。
　　
　　6、无机物表面改性剂
　　
　　无机物表面改性是指借助物理作用或范德华力使其他无机化合物包覆在重晶石表面上进行的表面改性，但并不与其表面进行其他反应，其改性剂一般为TiO2、SiO2、SnO2、Al2O3等氧化物。
　　
　　杨华明等采用化学共沉淀技术制备了以锑掺杂氯化锡水解包覆的重晶石粉，经焙烧在其表面包覆了一层氧化锑掺杂的氧化锡，从而制得重晶石基复合导电粉末(SSB)。研究发现，导电粉末的电导率取决于重晶石表面SnO2的包覆量及分散性。此外，HU等也通过化学液相沉积法将Sb掺杂的SnO2纳米粉体沉积在重晶石基底上，制得SSB复合粉末。研究发现，SSB复合粉体的电阻率受水解温度、pH值、重晶石比例、锑掺杂浓度等条件的影响。SSB粉末在防静电涂料、导电塑料、屏蔽涂层等高性能材料领域显示出越来越大的潜力。杭建忠分别用氧化铝水合物和硬脂酸对重晶石进行内外层包覆。研究发现氧化铝的用量太少不能包覆完全，用量过多易在重晶石表面形成胶团，阻碍硬脂酸的外层包覆。此外，通过相关研究也发现活性重晶石的加入有助于提高涂层耐腐蚀并改善了涂层T弯和应变性能。SUN等将有机改性后的重晶石与二氧化钛颗粒疏水聚合制备了TiO2/重晶石复合颜料。研究表明，当复合颜料中TiO2的质量比为60%时，TiO2包覆重晶石复合颜料的遮盖力为纯TiO2的90.81%。这可能是由于TiO2被均匀且牢固地包覆在重晶石颗粒的表面，并且在重晶石和TiO2颗粒的表面上的疏水性碳链之间发生了疏水缔合，为其替代钛白粉提供了参考。
　　
　　综上所述，无机表面改性剂由于其本身的特性可赋予重晶石粉末新的性能，成为开发新型复合功能材料的一种重要手段，但其开发的粉体功能性较单一，且改性过程中存在物料混合度较低，包覆均匀性、强度不易控制的缺点，需要进一步解决。
　　
　　7、复合表面改性剂
　　
　　随着工业进程的不断发展，改性剂开发越来越多元化及功能化，但在实际应用过程中仍存在生产成本高、改性效果不理想的问题，亟需进一步解决。复合表面改性剂可以融合两种及两种以上改性剂的优点，减少改性剂用量，成为一种更加有效和更加经济的改性剂。
　　
　　ZHAO等用硬脂酸、铝酸钠/硬脂酸钠分别对重晶石进行改性，并与炭黑和天然橡胶共同制备得到新型橡胶纳米复合材料。结果表明，由铝酸钠和硬脂酸钠复合改性的重晶石，由于其协同作用，使得填料更均匀地分散在天然橡胶基体中，增强了与聚合物之间的相互作用，显著提升了复合材料的机械性能、抗热氧化性和抗腐蚀性。徐永华等将多种氧基硅烷类偶联剂一起协同对重晶石粉进行包覆改性处理，并以聚酯树脂为载体制备成填充母粒。结果表明，改性后的重晶石缩短了生产的混炼时间，提高了其在聚酯粉末涂料中的相容性和分散性，改善了产品的综合性能。徐嘉毅等将硅烷偶联剂、硬脂酸钠、铝酸酯等改性剂配置成复合改性剂，对重晶石进行改性。结果表明，与未改性的重晶石相比，复合改性后的重晶石变为疏水性，流动性及分散性变好。
　　
　　综上所述，复合表面改性剂可改善与提升重晶石的性能，并减低使用量及成本；改性剂复配的方式有多种，主要是两种改性剂的复配。虽然目前复合改性剂的研究与应用越来越多，但相对其他改性剂，其研究仍偏少，还需要进一步开发新型复合改性剂，并开展两种及以上多组分复合改性剂的研究。
　　
　　资料来源：《朱福生,杨振,熊芳,等.重晶石表面改性研究进展[J].化工矿物与加工,2022,51(12):46-52》，由【粉体技术网】编辑整理，转载请注明出处！