高嶺土是塑料、橡膠、纖維等高分子材料重要的功能填料，但由于其與有機聚合物的界面性質不同，存在相容性差、難以均勻分散的缺點，過多地添加還會導致材料機械強度下降、易脆化等。因此，除了白度和粒度方面的要求外，還必須對高嶺土進行表面改性處理，以改變其表面的物理化學性質，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改性，常用的表面改性劑主要有硅烷偶聯(lián)劑、有機硅（油）或硅樹脂、表面活性劑及有機酸等。

　?。?）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為親有機基團，所以煅燒高嶺土經(jīng)表面改性后即能夠與有機基體如橡膠、塑料相容。當改性的高嶺土作為填料用于橡膠中時，在硫化過程中R基團會與橡膠大分子發(fā)生反應，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)劑一起加人改性機中進行表面包覆處理。工藝可以連續(xù)進行，也可以批量進行。

　　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（表面官能團及活性）、硅烷偶聯(lián)劑的品種、用量、用法、改性設備的性能以及表面改性處理的時間、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%的硅油進行表面改性，改性工藝過程和設備與用硅烷偶聯(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。

　?。?）不飽和有機酸

　　采用不飽和有機酸，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。其極性基團通過化學吸附和物理吸附與高嶺土顆粒表面作用。經(jīng)有機胺改性后的高嶺土表面疏水性增強。

　?。?）無機表面改性劑

　　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，改性產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過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

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

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

　?。?）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，同時加熱到一定溫度，反應一定時間后即完成改性劑與礦物粉體的偶聯(lián)作用。反應后的產(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的轉速不要求很高，設備造價比較低。

　　（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，在改性機中，邊攪拌邊將其加入，或利用噴霧的方法加入，同時加熱到一定溫度，反應一定時間后完成偶聯(lián)作用，得到改性產(chǎn)品。干法改性工藝對技術和設備要求比較高。該工藝完全省去了脫水和干燥過程，改性工藝簡單。

　　3、高嶺土表面改性設備

　　目前，國內高嶺土表面改性的設備有高速捏合機和連續(xù)改性機，也可用高頻振動研磨機、球磨機等對高嶺土進行表面改性。

　?。?）高速捏合機改性

　　高速捏合機又名高速混合機，是目前國內高嶺土改性的主流設備。一臺用作高嶺土改性的合格高速捏合機需關注以下幾方面：

　　a）葉輪的數(shù)量、位置、半徑以及形狀，葉輪與混合機內壁的間隙；

　　b）攪拌速度是否可調；

　　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。

　　由于高速捏合機是一種間隙式改性設備，故會造成產(chǎn)品質量的參差不齊，降低生產(chǎn)效率。另外，改性過程中高嶺土粉體的納米效應與小尺寸效應會使表面改性劑與粉體顆粒在未充分接觸、包覆或化學反應的情況下因表面能高以及高速運動的碰撞摩擦而產(chǎn)生靜電，繼而凝聚成為一個個“粉團”。這就是復合材料中所謂的“白點”。

　?。?）連續(xù)改性機改性

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

　　由于高嶺土的黏結性較大，螺旋輸送時易造成堵料現(xiàn)象，分散效果不及使用高速捏合機，所以，國內使用連續(xù)改性機改性高嶺土受到一定的限制，需進一步改進。

　?。?）高頻振動研磨機表面改性

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

　　該設備可將煅燒后高嶺土的打散和表面改性一次完成。但由于機械力的強大沖擊作用，會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

　　濕法改性對設備的要求較低，現(xiàn)在最常用的設備是球磨機，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，然后在球磨機中改性一定時間，離心液體，烘干沉淀物后粉碎。有研究發(fā)現(xiàn)濕法超細粉碎煤系煅燒高嶺土顆粒，可以導致晶體結構發(fā)生晶格畸變和非晶化，會使顆粒密度降低，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（表面官能團及活性）、改性劑的品種、用量、用法、改性設備的性能以及表面改性處理的時間、溫度等。

　?。?）高嶺土的表面官能團

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

　　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，具有酸性。pH值在6-7之間。在超細粉碎、煅燒過程中形成的Si-O，Al-O鍵成了主要的表面官能團，尤其是Si-O-Al鍵斷裂后形成的Al-O鍵，將在改性反應中起到重要作用。而此時由于煅燒后脫去羥基，利用電位計測定的pH值一般為5.6-6.1，酸性進一步增強。

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

　?。?）高嶺土的結構缺陷

　　此外，煅燒在高嶺土表面形成的結構缺陷，也將成為改性化學反應的主要活性點。尤其是高嶺土煅燒后，除表面官能團發(fā)生變化外，內部結構也發(fā)生了變化，特別是當煅燒溫度超過600℃后，煅燒高嶺土已處于一種無序的非晶質相。高嶺土的這種結構無序化必將影響其理化性能，進而對高嶺土的表面改性工藝、機理及效果造成影響。

　?。?）高嶺土的粒度分布

　　高嶺土經(jīng)過深加工后的粒度除了細度要求外，其粒度分布的范圍、分布特征（均勻性）都對高嶺土在造紙、涂料、橡膠和塑料工業(yè)中的應用有著極大的影響。同時，粒度分布對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系密切。粒度越細，比表面積和表面能就越高，與有機化合物之間的結合能力就越強。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，表面能也相應增加。

　　但高嶺土比表面積和表面能太高時易發(fā)生團聚現(xiàn)象，填充橡膠、塑料等有機高分子材料時不能均勻分散，反而不利于制品性能的提高。從這點來說，必須對煤系高嶺土進行表面改性，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機粉體表面相互作用的角度來考慮，當然是二者之間的相互作用越強越好，但是在實際操作中，還必須綜合考慮改性產(chǎn)品的成本、應用目的等因素。

　　表面改性劑的使用方法也非常重要，使用方法得當，不僅可以提高表面改性效果，而且還會減少用量，降低生產(chǎn)成本。在對粉體進行表面改性時，可以通過添加適量的溶劑、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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