滑石的超细粉碎-表面改性一体化研究

滑石是一种常见的层状硅酸盐矿物，具有质软、滑腻感等特点，可广泛应用于造纸、塑料、橡胶、电缆、陶瓷、油漆、涂料、建材等工业领域。滑石粉作为无机填料与有机高聚物分子材料之间在化学结构和物理形态上有着很大的差异，缺少亲和性，使之滑石粉与聚合物之间混合不均匀、粘合力弱，导致制品的力学性能降低。为此，必须对滑石粉进行表面改性处理，

对矿物进行超细粉碎-表面改性处理，可大大简化矿物加工的工序和流程，是目前非金属矿物加工研究的热点。

1、试验内容

(1)原料和试剂

滑石粉：粒径0.025mm，河南南阳方城滑石;钛酸酯偶联剂HY13C。

(2)试验方法

称取一定量的滑石在篮式研磨机内配成浓度为8.33%的矿浆，磨机转速为1000r/min，超细粉碎3h后过滤、洗涤、烘干、研磨用;采用相同的方法，将5%的钛酸酯偶联剂添加到矿浆中进行超细粉碎-表面改性，过滤、洗涤、烘干、研磨。

(3)性能测试

取一定量的滑石原料、滑石超细粉碎样品、超细粉碎-表面改性的改性样品，分别采用激光粒度仪进行粒度分布测定、活化指数测定、接触角测定、热分析和红外光谱分析。

2、试验结果讨论

(1)粒度分析

图1 滑石的粒度分布

由上图可知，滑石原料的d50为13.56μm，经超细粉碎处理后的d50为6.967μm，经钛酸酯偶联剂HY13C进行超细粉碎-表面改性后的d50为6.192μm，较改性之前粒度变小，这是因为往体系中加入钛酸酯偶联剂后，降低了界面的张力，根据Gibbs吸附定理，在界面上发生吸附而形成膜包颗粒，从而增大位阻斥力，使颗粒分散，从而提高磨矿效率，同时，改性后的滑石颗粒表面能增大，可作为填料使用。

(2)活化指数分析

超细粉碎-表面改性后的改性滑石与改性前相比，活化指数从0提高到88%，活化指数得到显著提高，这是由于钛酸酯偶联剂的疏水基团以化学键的方式与滑石表面的羟基结合，从而提高了滑石在水中的表面张力。

(3)接触角分析

图2 滑石粉改性前后接触角

如上图所示，改性前后的滑石接触角分别为43.5°和128.5°，改性后的接触角明显增大，表面活性大大提高，这是由于钛酸酯偶联剂滑石粒子表面发生偶联，使滑石粒子由亲水性变为疏水性。

(3)热分析

图3 滑石热分析结果

由上图(a)所示，未改性的滑石在517.3℃时开始失重，到868.2℃结束，期间出现一个明显的吸热峰，这主要是由于滑石内的白云石成分受热分解所致，经TG分析，烧失量达23.72%。

由上图(a)和图(b)可知，滑石经超细粉碎-表面改性一体化处理后的热失重曲线和超细粉碎后的热失重曲线并不相同，改性滑石在223.5℃到556.6℃间出现失重，且出现一个持续的放热峰，这是由于钛酸酯偶联剂的熔化和分解，失重含量约为3.45%，而在超细粉碎-表面改性试验中，添加改性剂的含量为5%，改性剂的有效利用率达到了69%，由上图(c)可知，超细粉碎-表面改性处理后的滑石产品经乙醇充分洗涤2次，__次的失重和图(b)相比幅度略小，主要失重约为2.64%，仅有0.81%的改性剂被乙醇洗涤掉，损失量较小，由此可见，钛酸酯偶联剂HY13C偶联强度十分牢固，这主要受化学键合作用的影响。

(4)红外光谱分析

图4 滑石红外光谱图

滑石超细粉碎(a)、超细粉碎-表面改性一体化处理(b)、改性后经乙醇充分洗涤2次烘干后(c)

滑石的结构单元层是上下两层为彼此相对的硅-氧四面体，中间夹层为镁-氧八面体。由a曲线可知，3673.2cm-1为O-H的伸缩振动吸收带，1009.1cm-1为Si-O伸缩振动吸收带，也是最强的吸收峰，667.0cm-1为O-H弯曲振动吸收带，447.6cm-1为硅-氧的变形弯曲振动，这些波数均为滑石粉的主要特征基团，而1429.4cm-1为白云石中碳酸根的非对称伸缩振动频率，876.6cm-1和728.5cm-1为碳酸钙的特征吸收峰，而碳酸钙又是白云石的主要成分。

由b曲线和c曲线可知，在经改性后的滑石粉的红外光谱图上出现了明显的偶联剂特征峰，峰位置为2917.2cm-1为甲基不对称伸缩振动吸收带、2849.9cm-1为亚甲基对称伸缩振动吸收带，改性滑石粉经醇洗2次后的偶联剂特征峰几乎不变，这说明改性滑石粉表面经醇洗后偶联剂分子仍然存在，且结合较牢固，这是因为钛酸酯偶联剂属于单烷氧基型钛酸酯，由于异丙氧基团与滑石粉表面的羟基会发生水解反应，形成偶联。

3、结论

(1)滑石超细粉碎后，d50为6.967μm，经钛酸酯偶联剂HY13C超细粉碎-表面改性后，d50下降为6.192μm。

(2)经超细粉碎-表面改性一体化处理的滑石活化指数由0提高到88%，与有机物的相容性大大提高。滑石改性后的接触角由43.5°增大到128.5°，表面活性明显得到提高。

(3)由TG-DTA和红外光谱综合分析，钛酸酯偶联剂HY13C对滑石的改性是由于异丙氧基团的存在与滑石粉表面的羟基会发生水解综合反应，形成偶联，结合能力强。