小粒徑膨脹珍珠巖的表面改性研究

劉紅燕， 張艷麗， 潘 瑋， 梅 林

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

小粒徑膨脹珍珠巖的表面改性研究

劉紅燕， 張艷麗， 潘 瑋， 梅 林

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

利用聚二甲基硅氧烷類有機硅憎水劑對小粒徑膨脹珍珠巖進行了改性，討論了改性劑用量、改性干燥時間、改性干燥溫度對改性效果的影響。結(jié)果表明，最佳改性條件為改性劑用量1.5%、改性干燥時間2 h、改性干燥溫度200 ℃，并用紅外光譜法對其進行了表征。

小粒徑膨脹珍珠巖；憎水劑；表面改性；紅外光譜法

膨脹珍珠巖由于本身的多孔結(jié)構(gòu)，在使用過程中具有較強的吸水能力，這在很大程度上會影響珍珠巖材料的使用功效。小粒徑膨脹珍珠巖的主要用途是用作填料。雖然與大粒徑膨脹珍珠巖相比，其吸水率較低，但相比常用的輕鈣和炭黑等填料，其吸水率還是過大。另外，作為填料，還要求在基體中有良好的分散性。因此，小粒徑膨脹珍珠巖在使用前需要進行表面改性處理，通常采用表面憎水處理來達到目的。本文采用一種有機硅憎水劑對小粒徑膨脹珍珠巖進行表面改性，并討論改性劑用量、改性干燥時間和改性干燥溫度對實驗結(jié)果的影響，最終選擇比較合理的改性參數(shù)。

1 改性原理分析

有機硅類化合物(如BS1042)與珍珠巖之間有較強的化學(xué)親合力，能有效改變珍珠巖的表面特性。帶有反應(yīng)活性基的硅氧烷通過特定條件能相互作用形成氫鏈，而且能與珍珠巖基材中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成末端帶有-Si-R基的硅烷鏈。 聚二甲基硅氧烷類有機硅的憎水原理是通過在基材表面和毛細(xì)孔內(nèi)壁形成憎水的硅樹脂網(wǎng)絡(luò)，使基材的表面張力發(fā)生變化，增大基材表面與水的接觸角，減小毛細(xì)孔對水的吸附作用，賦予材料憎水性；同時，又保持基材的透氣性和滲透性，使其用作填料時具有良好的分散性。其最大優(yōu)點是在基材的表層形成更穩(wěn)固的硅樹脂網(wǎng)絡(luò)，使材料產(chǎn)生更強更穩(wěn)固的憎水性能[1]。因此，表面處理后不會影響珍珠巖顆粒的其他性能。

通過上述作用生成的牢固的疏水性網(wǎng)狀硅氧烷分子膜，具有很低的表面張力，能均勻分布在多孔的珍珠巖基材的微孔壁上，且不封閉其毛細(xì)管道，不影響濕材料(制品)在干燥過程中內(nèi)部水分的排出。經(jīng)過處理的珍珠巖干燥后再遇水，水在毛細(xì)管壁上的接觸角為100°～130°，使滴在其上的水成為珠狀，無法滲入到基材內(nèi)部，使其具有整體改性功效。

2 實 驗

2.1 實驗材料

小粒徑膨脹珍珠巖，自制；憎水劑BS1042，工業(yè)級，汕頭經(jīng)濟特區(qū)龍湖科技有限公司生產(chǎn)；液體石蠟，化學(xué)純，北京化工廠生產(chǎn)。

2.2 實驗過程

本實驗采用BS1042憎水劑作表面改性劑，并利用噴涂法對珍珠巖進行表面改性。首先將不同用量的表面改性劑用水稀釋20倍，然后均勻噴涂在珍珠巖的表面，在不同溫度下干燥不同時間，討論不同處理條件對改性效果的影響。

礦物粉體的疏水性表面改性，可用其與有機液體組成的懸浮液的黏度評價[2]。本實驗通過測試改性后粉體的黏度來評價其改性效果。

把經(jīng)表面憎水處理的5 g的小粒徑膨脹珍珠巖放入20 ml的液體石蠟中，常溫下用電動攪拌器攪拌20 min，使膨脹珍珠巖充分分散在液體石蠟中并處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定所得懸浮液的黏度，最后用紅外光譜法進行表征。

3 結(jié)果與討論

3.1 改性劑用量對黏度的影響

表面改性劑的用量與包覆率存在一定的關(guān)系。對于濕法改性，表面改性劑在粉體表面的包覆量不一定等于表面改性劑的用量，因為總有一部分表面改性劑未能與粉體顆粒發(fā)生作用。理論上表面改性劑的最佳用量是顆粒表面達到單分子層吸附時所需要的用量，但實際用量要大于達到單分子層吸附時所需要的用量。

改性劑用量是影響改性效果的重要因素。在其他條件不變的情況下，用粒徑為120～180 μm的膨脹珍珠巖作為樣品，改性劑用量對改性效果的影響如圖1所示。

隨著改性劑用量的增加，改性膨脹珍珠巖的黏度逐漸減小。當(dāng)改性劑用量為1.5%時，黏度達到最小，改性效果最佳。隨后，增加改性劑的用量，改性效果趨于平穩(wěn)。

改性處理后，膨脹珍珠巖粉料孔洞的孔壁表面由親水性變?yōu)樵魉裕岣吡瞬牧系脑魉?。改性劑用量直接影響膨脹珍珠巖的改性效果和產(chǎn)品成本。若改性劑用量過少，不足以在膨脹珍珠巖表面形成完整的憎水膜，遇水后，膨脹珍珠巖局部吸水，導(dǎo)致堆積密度增大、導(dǎo)熱系數(shù)上升，小粒徑樣品作為填料與基體的相容性變差。隨著改性劑用量增加，改性效果變化不大，而產(chǎn)品成本增高。當(dāng)改性劑用量過多時，改性劑在膨脹珍珠巖表面形成多層物理吸附，使部分極性基團朝外，膨脹珍珠巖表面疏水性降低，引起黏度稍微增加[3]。所以，改性劑的用量要適度，并不是越多越好。

不同粒徑的膨脹珍珠巖達到最佳膨脹效果時所需要的改性劑用量也不相同，如表1所示。從表1可以明顯看出，隨著膨脹珍珠巖粒度的減小，達到最佳改性效果時所需要的改性劑用量逐漸增加。這是因為，在忽略孔隙率的情況下，粉體的比表面積與其粒度大小呈反比例關(guān)系，即粒度越細(xì)，粉體的比表面積越大。在使用同一種表面改性劑的情況下，粉體的粒度越細(xì)，比表面積越大，表面改性劑的用量也越大。

表1 粒徑與最佳改性劑用量的關(guān)系

但是各種粉體在具體改性過程中，其最佳用量的確定還需要通過改性試驗和應(yīng)用試驗來確定。這是因為表面改性劑的用量不僅與表面改性劑的分散和包裹的均勻性有關(guān)，還與應(yīng)用體系對粉體原料的表面性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)的具體要求有關(guān)[4]。

3.2 改性干燥時間

以120～180 μm粒徑的膨脹珍珠巖作為樣品，在最佳用量1.5%時，保持其他條件不變，討論改性干燥時間對改性效果的影響。將改性后的膨脹珍珠巖分別烘干1 h、2 h、3 h、4 h，用黏度法對改性樣品進行評價，實驗結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)烘干時間為2 h時，改性效果最佳。

圖2 改性干燥時間與黏度的關(guān)系

在干燥時，首先蒸發(fā)掉顆粒外圍的水分。隨著時間的延長，改性劑在膨脹珍珠巖表面的覆蓋量迅速增加，到2 h時，改性劑用量達到最大值，黏度達到最小值。此后，繼續(xù)延長改性時間，黏度變化趨于平緩。

如果改性干燥時間過短，表面改性劑不能徹底均勻分散在膨脹珍珠巖粉體中，會導(dǎo)致局部改性劑過多，從而影響改性效果。如果改性干燥時間過長，從生產(chǎn)效率和節(jié)能角度來講是不利的，而且過長的改性干燥時間會產(chǎn)生改性劑揮發(fā)損耗的現(xiàn)象[5]。

3.3 改性干燥溫度

改性劑的改性效果與干燥溫度有直接關(guān)系。適當(dāng)?shù)臏囟扔欣诟男詣┰谒蟹稚?，但是干燥溫度過高又會降低改性效果。圖3反映了這種趨勢。從圖3可知，當(dāng)改性干燥溫度為200 ℃時，改性效果最佳；高于或低于這個溫度，其改性效果都會降低。因此，最佳改性干燥溫度為200 ℃。改性干燥溫度低時，改性劑沒能充分與膨脹珍珠巖發(fā)生反應(yīng)，所以不能充分覆蓋在珍珠巖的表面；改性干燥溫度高時，高溫可能會破壞改性劑的結(jié)構(gòu)或使其揮發(fā)，使改性效果降低。所以，改性干燥溫度應(yīng)該低于改性劑的分解或揮發(fā)溫度。

圖3 改性干燥溫度與黏度的關(guān)系

4 FT-IR分析

圖4是膨脹珍珠巖改性前后的紅外光譜圖。由圖4可知，改性珍珠巖和未改性珍珠巖共同的譜帶出現(xiàn)在3 646.35 cm-1、1 057.68 cm-1、792.11 cm-1和457.13 cm-1處。其中，3 646.35 cm-1處的吸收峰是由氫鍵和游離的Si-OH締合的羥基[10]；1 057.68 cm-1和457.13 cm-1處的吸收峰分別是由Si-O-Si的非對稱伸縮振動和彎曲振動引起的[6]；792.11 cm-1處的吸收峰是由Si-O-Al中的Si-O伸縮振動引起的[7]。但改性膨脹珍珠巖在2 964.76 cm-1處也存在一個吸收峰，該峰是-CH3的吸收峰，是由C-H的非對稱伸縮振動引起，而未改性膨脹珍珠巖卻沒有出現(xiàn)這一吸收峰。這說明改性膨脹珍珠巖的顆粒表面化學(xué)成分發(fā)生了變化，形成了新的化學(xué)鍵，表明改性劑BS1042是通過化學(xué)反應(yīng)與膨脹珍珠巖顆粒表面結(jié)合并形成憎水膜。

圖4 膨脹珍珠巖改性前后紅外光譜圖

5 結(jié) 語

本文用一種有機硅改性劑對膨脹珍珠巖進行了改性處理，運用黏度法評價了改性效果，并得出最佳改性條件：改性劑用量1.5%、改性干燥時間2 h、改性干燥溫度200 ℃，并用紅外光譜法對其進行了分析。改性膨脹珍珠巖的紅外光譜圖在2 964.76 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，這是-CH3的吸收峰，是由C-H的非對稱伸縮振動引起的，說明改性膨脹珍珠巖的顆粒表面化學(xué)成分發(fā)生了變化，形成了新的化學(xué)鍵，產(chǎn)生了化學(xué)吸附。

[1] 孫順杰, 張琳, 劉天池, 等. 憎水型膨脹珍珠巖制備過程中吸水率影響因素探討[J].化學(xué)建材, 2008, 24,(5): 32-33.

[2] 沈上越, 池波, 李珍, 等. 硅灰石表面改性及效果評價[J]. 礦產(chǎn)保護與利用, 2000, 12(6): 24-25.

[3] 張桂蘭, 陳晨曦. 非金屬礦粉的表面改性研究及應(yīng)用[J]. 化學(xué)建材, 2006, 22(5): 14-16.

[4] 鄭水林. 影響粉體表面改性效果的主要因素[J]. 中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊, 2003(1): 13-14.

[5] 許麗, 徐杭慶, 蓋國勝, 等. 硅灰石針狀粉的表面改性及在橡膠中的應(yīng)用[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2004, 20(3): 175-178.

[6] Sodeyama K, Sakka Y, Kamino Y. Preparation of Fine Expanded Perlite[J]. Journal of Material Science, 1999，34(10): 2461-2468.

[7] 王佼, 鄭水林. 用硅藻土制備超細(xì)白炭黑工藝中氨基硅烷的作用研究[J]. 非金屬礦, 2007, 30(4): 1-3.

(責(zé)任編輯：席艷君)

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2015年12月12日，根據(jù)河南省教育廳、河南省財政廳《關(guān)于公布河南省優(yōu)勢特色學(xué)科建設(shè)工程一期建設(shè)學(xué)科名單的通知》(教高〔2015〕1086號)，我?！凹徔椃b新材料及高端裝備”學(xué)科群獲“河南省優(yōu)勢特色學(xué)科建設(shè)工程一期建設(shè)學(xué)科”特色學(xué)科A類項目立項建設(shè)。

河南省優(yōu)勢特色學(xué)科建設(shè)工程一期建設(shè)期為2015年至2019年，旨在加強河南省優(yōu)勢特色學(xué)科建設(shè)，加快高水平大學(xué)和特色骨干大學(xué)建設(shè)，進一步提升高等教育整體水平，為河南省經(jīng)濟社會的持續(xù)健康發(fā)展作出貢獻。此次獲批的“河南省優(yōu)勢特色學(xué)科建設(shè)工程一期建設(shè)學(xué)科”共有35個，其中優(yōu)勢學(xué)科10個(A類學(xué)科8個，B類學(xué)科2個)，特色學(xué)科25個(A類學(xué)科15個，B類學(xué)科10個)。

我?！凹徔椃b新材料及高端裝備”學(xué)科群包含“功能性纖維材料”“先進紡織裝備制造”“特種防護服裝”“產(chǎn)業(yè)用紡織品”4個研究方向。作為特色學(xué)科A類重點建設(shè)學(xué)科，我校特色學(xué)科建設(shè)將以在關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域取得突破、學(xué)科綜合實力進入國內(nèi)前列為目標(biāo)，著力服務(wù)河南省經(jīng)濟社會發(fā)展重大需求，凝練學(xué)科方向、匯聚學(xué)科隊伍、培養(yǎng)創(chuàng)新人才、構(gòu)建高端平臺、推進科研成果轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新體制機制、產(chǎn)出一流成果，力爭在2019年一期建設(shè)期滿取得顯著成效。

Study on Surface Modification of Small Size Particle Expanded Perlite

LIU Hong-yan， ZHANG Yan-li， PAN Wei, MEI Lin

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Small size particle expanded perlite is modified by the hydrophobic agent of polydimethylsiloxyl silicone. The effect of surface modification is studied on modifier amount, modified time and temperature. The results show that the optimal modification conditions of modifier amount, modified time and temperature are 1.5%, 2 h and 200 ℃, respectively. This perlite is characterized using infrared spectroscopy.

small size particle expanded perlite； hydrophobic agent； surface modification； infrared spectroscopy

2015-05-27

劉紅燕(1975-)，女，河南滑縣人，實驗師，碩士，主要研究方向為無機非金屬材料。

1671-6906(2015)06-0053-04

TD97

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.012