高嶺土是塑料、橡膠、纖維等高分子材料重要的功能填料，但由于其與有機(jī)聚合物的界面性質(zhì)不同，存在相容性差、難以均勻分散的缺點(diǎn)，過(guò)多地添加還會(huì)導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度下降、易脆化等。因此，除了白度和粒度方面的要求外，還必須對(duì)高嶺土進(jìn)行表面改性處理，以改變其表面的物理化學(xué)性質(zhì)，提高相容性和分散性。

　　1、高嶺土常用表面改性劑

　　目前，高嶺土最主要的改性方法是表面化學(xué)改性，常用的表面改性劑主要有硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)硅（油）或硅樹脂、表面活性劑及有機(jī)酸等。

　　（1）硅烷偶聯(lián)劑

　　硅烷偶聯(lián)劑是高嶺土填料最常用和最有效的表面改性劑，由于硅烷偶聯(lián)劑的R為親有機(jī)基團(tuán)，所以煅燒高嶺土經(jīng)表面改性后即能夠與有機(jī)基體如橡膠、塑料相容。當(dāng)改性的高嶺土作為填料用于橡膠中時(shí)，在硫化過(guò)程中R基團(tuán)會(huì)與橡膠大分子發(fā)生反應(yīng)，從而使高嶺土分子完全分散、融合在橡膠基體分子中。

　　使用硅烷偶聯(lián)劑的處理工藝比較簡(jiǎn)單，一般是將高嶺土粉和配置好的硅烷偶聯(lián)劑一起加人改性機(jī)中進(jìn)行表面包覆處理。工藝可以連續(xù)進(jìn)行，也可以批量進(jìn)行。

　　影響最終處理效果的因素主要是高嶺土粉的粒度、比表面積及表面特性（表面官能團(tuán)及活性）、硅烷偶聯(lián)劑的品種、用量、用法、改性設(shè)備的性能以及表面改性處理的時(shí)間、溫度等。

　?。?）硅油

　　用于電線電纜填料（如聚氯乙烯）的高嶺土除了硅烷偶聯(lián)劑之外，還常利用1%-3%的硅油進(jìn)行表面改性，改性工藝過(guò)程和設(shè)備與用硅烷偶聯(lián)劑相似。

　　經(jīng)硅油處理后的煅燒高嶺土粉，用做電線電纜的填料，不僅可以提高電纜的機(jī)械物理性能，而且還可以改善或提高電纜的電絕緣性能和疏水性能，在潮濕和寒冷環(huán)境下的電絕緣性能提高顯著。

　?。?）不飽和有機(jī)酸

　　采用不飽和有機(jī)酸，如乙二酸、癸二酸、二羧基酸等也可用于胺化后的高嶺土粉體的表面改性，這種改性高嶺土可用做尼龍66等的填料。

　?。?）陽(yáng)離子表面活性劑

　　如十八烷基胺等也可用于高嶺土粉體的表面改性。其極性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)吸附和物理吸附與高嶺土顆粒表面作用。經(jīng)有機(jī)胺改性后的高嶺土表面疏水性增強(qiáng)。

　?。?）無(wú)機(jī)表面改性劑

　　二氧化鈦、碳酸鈣、硫酸鈣等也可以用于煅燒高嶺土的表面改性。改性方法是在水溶液中的表面沉淀反應(yīng)，改性產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過(guò)濾和干燥后即得表面二氧化鈦包膜的煅燒高嶺土。

　　2、高嶺土表面改性工藝

　　高嶺土的表面化學(xué)改性主要是采用預(yù)處理法，工藝方法一般有3種：濕法、半干法和干法。

　?。?）濕法工藝由于需要制漿、脫水和干燥等過(guò)程，工藝復(fù)雜，特別是脫水過(guò)濾，如果礦物顆粒粒徑小于1250目，將極為困難和復(fù)雜。

　　（2）半干法改性工藝是在攪拌器中邊攪拌粉體，邊將適量的水、改性劑及其助劑的混合物加入，同時(shí)加熱到一定溫度，反應(yīng)一定時(shí)間后即完成改性劑與礦物粉體的偶聯(lián)作用。反應(yīng)后的產(chǎn)物呈非常黏稠狀態(tài)，再經(jīng)稍微干燥即得改性產(chǎn)品。半干法工藝省去了脫水過(guò)程，因此生產(chǎn)效率較高。

　　由于在濕法和半干法工藝中加入了較多的水、偶聯(lián)劑和助劑的混合物，再通過(guò)攪拌混合，粉體顆粒很容易全部與偶聯(lián)劑分子接觸，從而使改性劑分子容易均勻地包覆在顆粒表面。所以這兩種工藝所需攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速不要求很高，設(shè)備造價(jià)比較低。

　　（3）干法改性工藝是將偶聯(lián)劑及其助劑用微量的稀釋劑稀釋后，在改性機(jī)中，邊攪拌邊將其加入，或利用噴霧的方法加入，同時(shí)加熱到一定溫度，反應(yīng)一定時(shí)間后完成偶聯(lián)作用，得到改性產(chǎn)品。干法改性工藝對(duì)技術(shù)和設(shè)備要求比較高。該工藝完全省去了脫水和干燥過(guò)程，改性工藝簡(jiǎn)單。

　　3、高嶺土表面改性設(shè)備

　　目前，國(guó)內(nèi)高嶺土表面改性的設(shè)備有高速捏合機(jī)和連續(xù)改性機(jī)，也可用高頻振動(dòng)研磨機(jī)、球磨機(jī)等對(duì)高嶺土進(jìn)行表面改性。

　?。?）高速捏合機(jī)改性

　　高速捏合機(jī)又名高速混合機(jī)，是目前國(guó)內(nèi)高嶺土改性的主流設(shè)備。一臺(tái)用作高嶺土改性的合格高速捏合機(jī)需關(guān)注以下幾方面：

　　a）葉輪的數(shù)量、位置、半徑以及形狀，葉輪與混合機(jī)內(nèi)壁的間隙；

　　b）攪拌速度是否可調(diào)；

　　c）是否有合適的排氣裝置；

　　d）是否有恒溫裝置。

　　這些性能都是影響高嶺土改性效果的重要指標(biāo)。

　　由于高速捏合機(jī)是一種間隙式改性設(shè)備，故會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的參差不齊，降低生產(chǎn)效率。另外，改性過(guò)程中高嶺土粉體的納米效應(yīng)與小尺寸效應(yīng)會(huì)使表面改性劑與粉體顆粒在未充分接觸、包覆或化學(xué)反應(yīng)的情況下因表面能高以及高速運(yùn)動(dòng)的碰撞摩擦而產(chǎn)生靜電，繼而凝聚成為一個(gè)個(gè)“粉團(tuán)”。這就是復(fù)合材料中所謂的“白點(diǎn)”。

　?。?）連續(xù)改性機(jī)改性

　　連續(xù)改性機(jī)具有產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定、生產(chǎn)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外使用較為成熟。目前，國(guó)內(nèi)主要用在滑石粉、云母、碳酸鈣等粉體的改性中。

　　由于高嶺土的黏結(jié)性較大，螺旋輸送時(shí)易造成堵料現(xiàn)象，分散效果不及使用高速捏合機(jī)，所以，國(guó)內(nèi)使用連續(xù)改性機(jī)改性高嶺土受到一定的限制，需進(jìn)一步改進(jìn)。

　?。?）高頻振動(dòng)研磨機(jī)表面改性

　　該研磨機(jī)依靠激振器使筒體內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生高頻率、小振幅的振動(dòng)。由于振動(dòng)加速度比重力加速度大得多，可使磨管內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且高嶺土可以快速升溫，能使物料在強(qiáng)力振動(dòng)和一定的溫度下快速有效地被打散混合。

　　該設(shè)備可將煅燒后高嶺土的打散和表面改性一次完成。但由于機(jī)械力的強(qiáng)大沖擊作用，會(huì)使部分本已包覆好的顆粒重新沖擊出新的斷面，從而影響最終改性效果。

　?。?）球磨機(jī)

　　濕法改性對(duì)設(shè)備的要求較低，現(xiàn)在最常用的設(shè)備是球磨機(jī)，其主要方法是將高嶺土除沙后制成一定濃度的漿體，在加熱條件下與改性劑混合，然后在球磨機(jī)中改性一定時(shí)間，離心液體，烘干沉淀物后粉碎。有研究發(fā)現(xiàn)濕法超細(xì)粉碎煤系煅燒高嶺土顆粒，可以導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生晶格畸變和非晶化，會(huì)使顆粒密度降低，白度有所提高。

　　4、高嶺土表面改性效果影響因素

　　影響高嶺土表面改性效果的因素主要是粒度、比表面積及表面特性（表面官能團(tuán)及活性）、改性劑的品種、用量、用法、改性設(shè)備的性能以及表面改性處理的時(shí)間、溫度等。

　?。?）高嶺土的表面官能團(tuán)

　　高嶺土的理化性能是進(jìn)行表面改性的基礎(chǔ)，特別是表面官能團(tuán)，決定著高嶺石在一定條件下的吸附特性、化學(xué)反應(yīng)活性、電性和潤(rùn)濕性等。

　　高嶺土屬于層狀硅酸鹽礦物，經(jīng)粉碎加工后的高嶺土顆粒表面有羥基和含氧基團(tuán)，具有酸性。pH值在6-7之間。在超細(xì)粉碎、煅燒過(guò)程中形成的Si-O，Al-O鍵成了主要的表面官能團(tuán)，尤其是Si-O-Al鍵斷裂后形成的Al-O鍵，將在改性反應(yīng)中起到重要作用。而此時(shí)由于煅燒后脫去羥基，利用電位計(jì)測(cè)定的pH值一般為5.6-6.1，酸性進(jìn)一步增強(qiáng)。

　　因此，煤系高嶺土無(wú)論煅燒與否，表面均呈弱酸性，最適宜于用硅烷表面改性劑進(jìn)行表面改性。

　?。?）高嶺土的結(jié)構(gòu)缺陷

　　此外，煅燒在高嶺土表面形成的結(jié)構(gòu)缺陷，也將成為改性化學(xué)反應(yīng)的主要活性點(diǎn)。尤其是高嶺土煅燒后，除表面官能團(tuán)發(fā)生變化外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，特別是當(dāng)煅燒溫度超過(guò)600℃后，煅燒高嶺土已處于一種無(wú)序的非晶質(zhì)相。高嶺土的這種結(jié)構(gòu)無(wú)序化必將影響其理化性能，進(jìn)而對(duì)高嶺土的表面改性工藝、機(jī)理及效果造成影響。

　　（3）高嶺土的粒度分布

　　高嶺土經(jīng)過(guò)深加工后的粒度除了細(xì)度要求外，其粒度分布的范圍、分布特征（均勻性）都對(duì)高嶺土在造紙、涂料、橡膠和塑料工業(yè)中的應(yīng)用有著極大的影響。同時(shí)，粒度分布對(duì)高嶺土改性的影響非常大，它決定著偶聯(lián)劑的用量和反應(yīng)條件的確定等。

　?。?）高嶺土的比表面積、表面能

　　高嶺土的比表面積、表面能主要與其粒度組成關(guān)系密切。粒度越細(xì)，比表面積和表面能就越高，與有機(jī)化合物之間的結(jié)合能力就越強(qiáng)。此外，煤系高嶺土煅燒后，由于失去羥基、表面存在大量的斷鍵等因素而顯示出極大的表面活性，表面能也相應(yīng)增加。

　　但高嶺土比表面積和表面能太高時(shí)易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，填充橡膠、塑料等有機(jī)高分子材料時(shí)不能均勻分散，反而不利于制品性能的提高。從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，必須對(duì)煤系高嶺土進(jìn)行表面改性，以降低其表面能。

　?。?）表面改性劑的種類、用量和使用方法

　　表面改性劑的種類、用量和使用方法直接影響著表面改性的效果。如果僅從表面改性劑分子與無(wú)機(jī)粉體表面相互作用的角度來(lái)考慮，當(dāng)然是二者之間的相互作用越強(qiáng)越好，但是在實(shí)際操作中，還必須綜合考慮改性產(chǎn)品的成本、應(yīng)用目的等因素。

　　表面改性劑的使用方法也非常重要，使用方法得當(dāng)，不僅可以提高表面改性效果，而且還會(huì)減少用量，降低生產(chǎn)成本。在對(duì)粉體進(jìn)行表面改性時(shí)，可以通過(guò)添加適量的溶劑、稀釋劑以及采用乳化、噴霧等方法以保證改性劑在物料的表面均勻分散，提高改性劑在粉體中的分散度。

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