表面改性對滑石粉理化性質(zhì)的影響

宋亞美，黃山秀，李鵬舉，熊 耀，馬名杰

(1.河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，焦作 454000；2.河南能源化工集團焦煤公司九里山礦選煤廠，焦作 454000)

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表面改性對滑石粉理化性質(zhì)的影響

宋亞美1，黃山秀1，李鵬舉1，熊 耀2，馬名杰1

(1.河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，焦作 454000；2.河南能源化工集團焦煤公司九里山礦選煤廠，焦作 454000)

采用鈦酸酯對滑石粉進行表面改性，以接觸角為評價指標，得到最佳的改性工藝參數(shù)為：鈦酸酯的添加量為3%，反應(yīng)溫度為65 ℃，反應(yīng)時間為1.5 h。分別采用粒度分析、XRD分析、紅外光譜分析以及熱重分析對改性前后滑石粉的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)進行表征，結(jié)果表明，鈦酸酯對滑石粉的改性效果顯著，表面改性過程不僅發(fā)生了物理吸附，還存在化學(xué)鍵合。

滑石粉； 鈦酸酯； 表面改性； 接觸角

1 引 言

滑石屬于天然的鎂質(zhì)硅酸鹽礦物，具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，極強的吸附能力，良好的電絕緣性，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，在PP中添加一定量滑石粉能使PP具有更好的阻尼特性和拉伸模量，但滑石粉的添加量過多會使PP脆化、機械強度降低[2]；用硅烷與鈰溶液處理鋅/滑石復(fù)合涂料，可以降低涂料的粗糙度，使涂料的防腐蝕性能提高[3]；在潤滑油中添加少量滑石粉會使?jié)櫥偷哪Σ谅式档?，摩擦產(chǎn)熱減少，摩擦系數(shù)降低，而當(dāng)滑石粉的添加量大于一定值時，會使?jié)櫥偷哪p損失、摩擦產(chǎn)熱、摩擦系數(shù)均大于其本身初值，使?jié)櫥蜐櫥阅芙档蚚4]?；劬哂袠O性親水性，且越細的滑石粉越容易團聚[5]，在理化性質(zhì)上與有機高聚物存在著很大的差異，嚴重降低了滑石粉與有機高聚物的親和性以及相容性，所以對滑石粉進行表面改性非常重要。筆者選用鈦酸酯對滑石粉進行表面改性，目的是使滑石粉由極性親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷H油性，使滑石粉的分散性增強，減少團聚，提高滑石粉與有機高聚物的相容性，提高有機高聚物的拉伸強度和長伸性等力學(xué)性能，使滑石粉更好的應(yīng)用于橡膠、塑料和涂料等領(lǐng)域。

2 實 驗

2.1 原料及試劑

滑石粉，10 μm(粒徑)，市售；鈦酸酯201(異丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)鈦酸酯)，化學(xué)分子式：C51H112O22P6Ti，分析純，淮安化學(xué)試劑有限公司；苯、丙酮、乙醇，分析純，天津市登科化學(xué)試劑有限公司。

2.2 實驗過程與分析方法

(1)采用濕法改性工藝對滑石粉進行表面改性。首先，分別稱取0.05 g、1 g、0.15 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g、0.35 g、0.4 g鈦酸酯，然后分別將其溶解于100 mL苯中，再將烘干的10 g滑石粉分多次加入到制備的溶液中，在恒溫磁力攪拌器中共混一定時間后，抽濾、干燥、超聲備用。

(2)滑石粉表面具有親水性，水在其表面的接觸角較小，對滑石粉改性可使其極性減弱，接觸角增大。因此，本文通過測定改性滑石粉接觸角的變化來表征其改性效果。接觸角的測定：稱量0.3 g改性滑石粉，置于模具中，在壓片機上用相同的壓力和時間壓制成表面平整光滑的圓片，采用接觸角測定儀測定接觸角。

(3)采用粒度分析、XRD分析、紅外分析、熱重分析表征改性前后滑石粉。

3 結(jié)果與討論

3.1 滑石粉表面改性工藝的影響因素

3.1.1 鈦酸酯的添加量對接觸角的影響

實驗條件：改性溫度65 ℃，改性時間1.5 h。鈦酸酯的添加量對接觸角的影響如圖1 所示。

由圖1可以看出，接觸角隨著鈦酸酯添加量的增加先增加后穩(wěn)定不變，這是因為當(dāng)鈦酸酯的添加量較少時，鈦酸酯不能在滑石粉表面形成完全包覆，使得改性效果較差，接觸角較?。辉阝佀狨サ奶砑恿繛?%(鈦酸酯與滑石粉的質(zhì)量比)時，接觸角達到最大值137°；繼續(xù)增大鈦酸酯的添加量，接觸角保持不變。因此，可確定鈦酸酯的最佳添加量為3%。

圖1 鈦酸酯的添加量對接觸角的影響Fig.1 The influence of the addition of titanate on contact angle

圖2 反應(yīng)溫度對接觸角的影響Fig.2 The influence of reaction temperature on contact angle

3.1.2 溫度對改性效果的影響

實驗條件：鈦酸酯偶聯(lián)劑的添加量為3%，改性時間1.5 h。反應(yīng)溫度對接觸角的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，接觸角隨著反應(yīng)溫度的增加而增大，在65 ℃處達到最大值，隨著反應(yīng)溫度的進一步增大，接觸角出現(xiàn)下降趨勢。這是因為滑石粉表面改性是偶聯(lián)劑吸附于滑石粉表面的過程[6]，而吸附是放熱反應(yīng)。溫度過高會使偶聯(lián)劑的脫附量大于吸附量，而溫度太低又會影響反應(yīng)速率，影響改性效果。因此，確定最佳反應(yīng)溫度為65 ℃。

3.1.3 時間對改性效果的影響

實驗條件：鈦酸酯偶聯(lián)劑的添加量分別在3%，改性溫度為65 ℃。反應(yīng)時間對接觸角的影響如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，接觸角呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在1.5 h時接觸角達到最大。這說明反應(yīng)時間較短時，鈦酸酯不能充分的吸附在滑石粉表面，而反應(yīng)時間太長，部分因物理吸附在滑石粉表面的鈦酸酯會因劇烈的機械攪拌力發(fā)生脫附，影響改性效果。因此，確定最佳反應(yīng)時間為1.5 h。

圖3 反應(yīng)時間對接觸角的影響Fig.3 The influence of reaction time on contact angle

圖4 改性前后滑石粉的粒度分布圖Fig.4 The paticle size analysis of modified talc and unmodified talc

3.2 改性前后滑石粉的理化性質(zhì)分析

3.2.1 粒度分析

分別稱取一定量改性前后滑石粉，超聲震蕩一段時間后測定樣品的粒度。改性前后滑石粉的粒徑分布如圖4所示。

粒度分布可以從宏觀上反映顆粒的粒徑，顆粒的粒徑越小，分散效果就越好；粒度分度的跨度越小，分布越均勻[7]。由圖4可以看出，改性后滑石粉的粒徑分布相對于改性前滑石粉的粒徑偏小，可能是因為未改性滑石粉顆粒的比表面積大，表面能高，粉體易團聚。并且未改性滑石粉表面含大量的-OH，極易形成氫鍵，在氫鍵的連橋作用下，會使顆粒間出現(xiàn)接枝，所以未改性滑石粉的團聚現(xiàn)象比較嚴重，粒徑相對較大。因此，通過粒度分析得出，鈦酸酯改性后滑石粉的粒徑明顯減小，分散性提高。

3.2.2 XRD分析

改性前后滑石粉的X 射線衍射圖譜如圖5所示。由圖可以看出，改性前后滑石粉的衍射峰位置基本一致，均在2θ=8.55°、18.99°、28.64°、32.65°處出現(xiàn)了滑石晶體的特征衍射峰，且經(jīng)鈦酸酯改性后滑石粉沒有新的衍射峰出現(xiàn)，只是衍射峰強度相對改性前明顯減弱。這說明改性后滑石粉保持了滑石完整的相結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，只是因為鈦酸酯包覆在滑石晶體表面導(dǎo)致衍射峰強減弱。因此，通過XRD分析得出，鈦酸酯對滑石粉表面改性不會影響其原有的物相結(jié)構(gòu)[8]。

圖5 改性前后滑石粉的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of modified talc and unmodified talc

圖6 改性前后滑石粉的紅外圖譜Fig.6 The infrared spectra of modified talc and unmodified talc

3.2.3 紅外光譜分析

將改性滑石粉用丙酮洗滌，乙醇沖洗，目的是除去滑石粉表面因物理吸附而游離的鈦酸酯分子。改性前后滑石粉的紅外圖譜如圖6所示。

對比改性前后滑石粉的紅外圖譜發(fā)現(xiàn)，改性后滑石粉中依然存在未改性滑石粉中的特征吸收峰，只是峰值相對于未改性滑石粉有所減弱，這一點與X射線衍射的結(jié)果相一致。其中，改性后的滑石粉在3677 cm-1附近的-OH伸縮震動吸收帶明顯減弱，可能是鈦酸酯表面可水解的RO-與滑石粉表面的-OH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致[9]。改性滑石粉在2921 cm-1和2853 cm-1附近出現(xiàn)了明顯的吸收峰，這是鈦酸酯偶聯(lián)劑中-CH3和-CH2-的特征峰，表明經(jīng)丙酮洗滌乙醇沖洗的改性滑石粉表面仍存在鈦酸酯偶聯(lián)劑分子，且結(jié)合牢固，進一步說明鈦酸酯偶聯(lián)劑與滑石粉表面的發(fā)生了化學(xué)鍵合反應(yīng)。

3.2.4 熱重分析

分別對改性前后滑石粉以及鈦酸酯進行熱重分析，改性前后滑石粉的TG曲線如圖7所示，鈦酸酯的TG曲線如圖8所示。

圖7 改性前后滑石粉的TG曲線Fig.7 TG curves of modified talc and unmodified talc

圖8 鈦酸酯的TG曲線Fig.8 TG curve of titanate

從圖7中可以看出，未改性滑石粉在150 ℃前質(zhì)量減少較為明顯，約為1.58%，而在此階段改性滑石粉的質(zhì)量損失量很小，約為0.27%，這一階段主要是滑石粉表面水分的減少，因此可以得出，改性后滑石粉的表面親水性明顯減弱，表明改性效果顯著。在150～250 ℃之間未改性滑石粉的質(zhì)量幾乎沒有減少，而在此階段改性滑石粉質(zhì)量減少明顯，對比鈦酸酯的TG曲線，可以得出，改性滑石粉在此階段主要為表面吸附的鈦酸酯受熱分解所致。從圖8可以看出，鈦酸酯在260 ℃左右分解完畢，而圖7中改性滑石粉在260～350 ℃之間依然有質(zhì)量的減少，且未改性滑石粉在此階段沒有質(zhì)量損失，因此表明，此階段為鈦酸酯與滑石粉生成的化學(xué)鍵被破壞[10]，受熱分解導(dǎo)致質(zhì)量的減少。因此，通過熱重分析的得出，鈦酸酯改性滑石粉，不僅存在物理吸附，還存在著化學(xué)鍵合。

4 結(jié) 論

采用鈦酸酯偶聯(lián)劑對滑石粉進行表面改性，得出以下結(jié)論：

(1)在鈦酸酯的添加量為3%，反應(yīng)溫度為65 ℃，反應(yīng)時間為1.5 h的實驗條件下，滑石粉的的改性效果最佳，接觸角達到137°;

(2)粒度分析結(jié)果表明，改性滑石粉的平均粒徑減小，粒徑分布更加集中;

(3)XRD分析結(jié)果表明，改性前后滑石粉的晶型未發(fā)生改變，只是因為鈦酸酯偶聯(lián)劑包覆在滑石粉表面使衍射峰的強度降低，改性后滑石粉保留了滑石粉原有的物相結(jié)構(gòu);

(4)紅外分析和熱重分析結(jié)果表明，鈦酸酯偶聯(lián)劑在滑石粉表面不僅發(fā)生了物理吸附，還存在著化學(xué)鍵合。

[1] Castillo L A,Barbosa S E,Maiza P,et al.Surface modifications of talc effects of inorganic and organic acid treatments[J].JournalofMaterialsscience,2011,46(8):2578-2586.

[2] Weon J I,Sue H J.Mechanical properties of talc and CaCO3reinforced high-crystallinity polypropylene composites[J].JournalofMaterialsScience,2006,41:2291-2300.

[3] Daniel A D C,Marlla V D C,Cláudia O,et al.Silane with cerium obtained by sol-gel process for post-treatment on zinc-talc composite coatings[C].The Electrochemical Society,Meet.Abstr.MA,2009-02:1785.

[4] Prasad B K,Rathod S,Modi O P,et al.Influence of talc concentration in oil lubricant on the wear response of a bronze journal bearing[J].Wear,2010,269(5-6):498-505.

[5] Fan Z D,Luo Z,Yu J,et al.Surface modification of the superfine talc powder and its influence upon the PP[J].GaofenziCailiaoKexueYuGongcheng,2007,23(3):143-147.

[6] 李麗匣,韓躍新,陶世杰,等.碳酸鈣晶須表面改性研究[J].化工礦物與加工,2008,37(5):4-8.

[7] 林 軒,張平民,尹周瀾,等.納米SnO2的表面改性研究[J].化工進展,2005,24(4)：395-398.

[8] 劉 銘,霍冀川,劉樹信,等.硬脂酸對碳酸鋇表面改性的研究[J].中國粉體技術(shù),2011,17(6):58-62.

[9] 郝書峰,鄭治祥,范衛(wèi)青,等.沉淀法白炭黑的表面改性及其性能研究[J].硅酸鹽通報,2011,30(3):529-533.

[10] 姚 超,左士祥,杜 郢,等.凹凸棒石的表面改性及在脲醛樹脂中的應(yīng)用[J].硅酸鹽學(xué)報,2011,39(4):630-634.

Effect of Surface Modification on Physical and Chemical Properties of Talc Powder

SONGYa-mei1,HUANGShan-xiu1,LIPeng-ju1,XIONGYao2,MAMing-jie1

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.Henan Coal Company Energy Chemical Group Jiulishan Coal Preparation Plant,Jiaozuo 454000,China)

The talc powder was modified by using titanate. Using contact angle as evaluating indicator, the best surface modification technology were titanate content of 3%, reaction temperature of 65 ℃ and reaction time of 1.5 h. The morphology and surface properties of modified talc and unmodified talc were investigated by particle size analysis, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectra (FTIR) and Thermo gravimetric analysis (TG), especially. The results show that titanate significantly influences the surface modification effect of talc powder. And there is not only physical adsorption, but also chemical bonding during the surface modification of talc powder.

talc powder;titanate;surface modification;contact angle

宋亞美(1990-)，女，碩士研究生.主要從事滑石粉表面改性和化肥防結(jié)塊方面的研究.

黃山秀，碩士，講師.

P578.958

A

1001-1625(2016)12-3959-04