我国非金属矿的加工及应用技术已在快步的发展,煤系煅烧高岭土作为填料或功能性填料在涂料、橡胶、塑料等高分子制品中得到了很好的应用.煤系煅烧高岭土不仅可以降低有机高分子制品的成本,更主要的是能够提高产品的部分性能,使产品的质量有所提高.
但是由于煤系煅烧高岭土与有机高分子材料基质的界面性质有所不同,由此可造成亲合性差,使之影响到煅烧高岭土在有机高分子材料中的分散和交联等作用,从而导致有机高分子制品的力学性能及其它部分性能的下降,因此要对煅烧高岭土进行表面改性.
改性与应用
对煅烧高岭土表面改性可改变高岭土粉体界面的性质,改善煅烧高岭土与有机高分子材料的亲合性,提高在有机高分子材料中的分散性,增强制品的多种性能,起到功能性的作用,增加煅烧高岭土的填加量,提高产品档次,降低制品的成本.所以说煅烧高岭土的表面改性是一项非常重要的深加工手段,并且也是扩大煅烧高岭土应用领域和提高有机高分子制品质量的一条十分有效的途径.
1 煤系高岭岩的特征
煤系高岭岩主要是由高岭石及炭质等组成.矿石一般为灰色——灰黑色,块状构造,壳状断口,隐晶质结构,蠕虫状晶体、结晶有序度高.是我国北方石炭,二叠煤层中夹有的一种高岭岩的煤石.这种高岭岩与煤层具有一定的成因关系,一般厚度可达0.3~1.5米,而且有的矿段可出现数层.这已成为我国的一种独特的高岭土资源,并且已在高岭土工业中占有举足轻重的地位.
高岭岩经过粉碎,超细及不同条件的煅烧,可以得到不同用途的煅烧高岭土,其中煅烧是极为重要的一个环节.高岭岩的煅烧过程是:在110℃时,排除吸附水;110℃~400℃时,排除层间水;500℃~600℃时,发生分解;从600℃开始,形成偏高龄石;925℃~1050℃时,形成铝硅尖晶石;1300℃时,就构成了莫来石.在高岭岩煅烧过程中,晶体结构的变化,化学活性的改变,是与煅烧温度、结晶有序度、伴生组份的种类和煅烧气氛等有着密切的关系.对于高岭岩的煅烧温度并非愈高愈好,而是要根据不同的应用领域,选择不同的煅烧温度.如电缆用的改性煅烧高岭土,应选择结晶有序度高的矿石,使其有较高的脱羟温度,较长时间的脱羟过程,在一定的温度和条件中煅烧,才可得到较高化学活性的电缆用煅烧高岭土.
2 煅烧高岭土的表面改性
煅烧高岭土的表面改性,是根据应用的需要有目的地将其表面原有的物理及化学性质进行改变.即是利表面化学的方法,将有机物分子中的官能团在高岭土颗粒表面产生吸附作用或化学反应,对其颗粒表面进行包覆,使高岭土的表面有机化,达到改性的目的.
煅烧高岭土表面性质的改变,是依靠各种表面改性剂在其颗粒的表面进行包覆等实现的.所以表面改性剂的选择和应用是高岭土表面改性的关键技术,同时表面改性的工艺和设备也是表面改性技术很重要的部分.
(1)表面改性机理
煅烧高岭土与有机高分子材料的结合,实质上在于两者的界面能否具有良好的结合.经表面改性的煅烧高岭土分散到有机高分子材料中,在该区域中有机高分子材料—改性剂—煅烧高岭土间可以产生一种良好的界面结合,将两种性质差异较大的材料牢固的结合到一起,使煅烧高岭土与有机高分子材料间产生一种具有特殊功能的"分子桥",这一"桥梁"的作用就主要取决于表面改性剂.煅烧高岭土表面改性使用的表面改性剂,一般选择的是以硅烷偶联剂类为主体的改性剂.
(2)表面改性剂的选择
在选择表面改性剂时,应根据高岭土所需要填到加有机高分子材料及制品的配方、加工工艺等技术性能的要求,选择不同的改性剂和助剂.煅烧高岭土的表面改性,一般主要选择硅烷偶联剂.对特殊要求的高分子制品,要选择两种或两种以上的改性剂,配制成复合类的表面改性剂.也可根据材料的性能和技术要求等,分别加入一定量的助剂或其它改性剂,配合硅烷偶联剂对煅烧高岭土进行有效的表面改性,使煅烧高岭土的产品性能和质量能达到更高的要求.一般表面改性剂的用量为0.3%~1.0%.
(3)表面改性工艺
根据煅烧高岭土表面改性的机理,对其进行表面改性.首先要对煅烧高岭土进行加热,以便与硅烷偶联剂反应,并且要求对高岭土在动态的状况下保持一定的温度.只有这样才能把反应过程中及反应后多余的水脱除,以达到偶联剂与高岭土形成稳定和牢固的共价键结合.由此一定要根据表面改性的机理来确定表面改性的工艺.
煅烧高岭土在表面改性过程中,是要在一定的温度下进行反应的.所以,首先就对煅烧高岭土进行动态加热到一定的温度(100℃)时,在其高速动态的状况下,加入水解后的硅烷偶联剂或复合改性剂,以雾化法加入.在偶联剂与高岭土反应过程中的温度应保持在120℃以内,在高速动态的状况下,保持的时间,应在3~5分钟左右,不同的反应时间其表面活化度是不同的.
(4)煅烧高岭土表面改性设备
表面改性设备的选择应根据煅烧高岭土的表面改性机理所确定的工艺为基准,选择和配套表面改性机组.
目前国内生产的表面改性设备种类比较少,而且对超细煅烧高岭土的表面改性效果也不十分理想.不管用什么样的表面改性设备,都要以表面改性的机理和表面改性的工艺为依据,来满足煅烧高岭土表面改性工艺的技术要求.应要求表面改性设备能在高速动态状况下加热到100℃以上,并能保温,可排除水蒸气,表面改性剂可以分加,有分级的功能,解决表面改性的团聚问题,保证产品的质量.