石英粉体表面疏水化改性及其研究进展

石英粉体表面疏水化改性及其讨论进展

（石英）的重要成分是SiO2，是地球上储量丰富的矿产资源之一。由于具有稳定的物理和化学性能、无毒、无味、无污染、强耐酸性、耐

高温、高耐湿、良好的透光性、抗辐射、低膨胀、低应力等性能，除应

用于陶瓷、玻纤、保温材料、耐火材料等，在塑料、橡胶、油漆涂料、

电绝缘封装材料等领域作为填料广泛使用，以提高复合材料性能，降低

成本。改性原理和改性方法是改性技术的基础，改性剂的选择、工艺设

备及掌控条件、产品检测方法在改性过程中尤为紧要。

1改性原理

粉体（表面改性）的原理和方法是相互关联的，改性原理决议着

改性的方法。由于石英粉体表面的亲水性，很难与有机高分子材料相容，为此需对其表面进行改性，使其表面性质由亲水性变为疏水性，从而改

善石英粉体粒子表面的浸润性，使粉体粒子在有机化合物中更简单分散。

当前对石英粉体表面改性技术要求越来越高，提高改性效果同时

降低成本。且在不同领域的应用中，对石英粉体的纯度、粒度、白度及

改性后效果等有不同要求。一般来说，石英粉体的颗粒越细，比表面积

越大，表面活性羟基越多，越易进行化学反应，改性后效果更好。现在

关于纳米二氧化硅表面改性讨论报告越来越多。陈颖敏等分别采纳硅烷

偶联剂KH－570、BYK－163和钛酸酯偶联剂NDZ－201对纳米二氧化硅

进行表面改性，结果表明，KH－570改性效果最好，用量为5%，反应

30min，对丙烯酸聚氨酯防腐涂料的各项性能均有较大提高。

石英等硅酸盐矿物经机械粉碎后，新生表面上产生游离基或离子，在外界条件作用下，表面产生Si－OH，Si－O－Si和Si－OHH等几种基团，易与外来的官能团发生键合，达到改性目的，为表面改性供给了基础。在改性过程中，温度，改性剂的选择、用量及处理方法，改性工艺

等是影响改性效果的重要因素。

2改性方法及工艺

2.1改性方法

对石英粉体有机表面改性的方法很多，但仅靠物理吸附于石英粉

体表面，不仅改性效果不好，易在搅拌、洗涤等过程中脱落，而且在应

用中也无法过多加添产品性能。高能改性成本高，技术多而杂，很难实

现工业化生产。机械力化学改性是对粉体机械粉碎，时期表面产生临时

活性点，降低表面改性活化能。如李建强等用硅烷偶联剂KH－570对石

英砂改性，将改性剂、乙醇和水置于球磨机中干法改性，与湿法改性进

行比较。化学包覆改性是石英粉体表面改性最常用的方法，如偶联剂改

性和聚合物接枝法改性。成键机理是与石英粉体表面形成共价键，如偶

联剂的改性原理，偶联剂水解产生硅醇基，与石英粉体表面的硅羟基脱

水缩合，形成共价键。此法成本较低，改性效果高，且改性产品保持稳

定性能时间较长。

2.2改性工艺

在工业生产中大都采纳机械力干法改性，在粉碎的同时喷入配置

好的改性剂，次法可以缩短工业流程，并且在粉碎过程中产生临时活性

点和高温，有利于表面改性的进行，产品不需要脱水干燥。但是改性效

果相比于湿法差距大，改性很难均匀化，局部高温可能会破坏改性剂，

对工艺过程不好掌控。干法改性后石英粉体在工业应用中属于粗级产品，广泛应用于塑料、建材及橡胶等行业。湿法改性是将石英粉体和改性试

剂一起浸泡加热，搅拌，脱水干燥，较干法工艺多而杂，但改性效果好，一般应用于薄膜、涂料等高端行业。武江红等用乙烯基三（－甲氧基乙

氧基）硅烷对纳米SiO2粒子进行表面改性，将改性剂，改性助剂及粉

体制成滤饼，80℃下烘干8h，得到改性产品。干－湿法结合改性过程中，对试剂加量和改性时间要求高，出料后高温烘干，试剂量多，石英粉体

易聚集，量少则改性剂不易分散，改性效果差。

3改性剂

对石英粉体改性的改性剂重要有硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛

酸酯偶联剂等。工业上常用脂肪酸和一些阳离子表面活性剂（如十六烷

基三甲基溴化铵等）对石英粉体表面改性，这些改性剂价格低廉，工艺

简单，但改性效果一般，改性后属于粗级产品。硅烷偶联剂对石英粉体

表面改性效果最好，但成本较高，铝酸酯和钛酸酯偶联剂成本较低，改

性较简单，但改性效果比硅烷偶联剂差，原因在于硅烷偶联剂与石英粉

体表面的硅羟基缩水键合所需能量较高，而铝酸酯和钛酸酯偶联剂中的

Al3+、Ti3+半径大，很简单与硅羟基缔合，结合在石英粉体表面，较之

Si－O－Si键键级低，不如硅烷偶联剂改性后效果稳定。

用铝酸酯和钛酸酯偶联剂对石英粉体改性时，偶联剂的水解几乎

是不能加水的，否则很简单屏蔽偶联剂，形成乳状物，在有机溶剂中溶

解使用效果最好，如甲苯，丙酮等。而假如硅烷偶联剂不水解，则很难

与石英粉体表面发生键合。高正楠等用硅烷偶联剂KH－550对二氧化硅

表面改性的讨论中，用电导率测量和红外光谱讨论了硅烷偶联剂KH－

550的水解工艺，结果表明采纳水/乙醇混合溶剂，KH－550水解体积分

数为15.75%。

当前对二氧化硅粉体的表面接枝改性讨论较广泛，通过化学反应

将聚合物键合在二氧化硅粉体表面，以聚合物所带的多种活性基团，再

次进行化学反应。此法可以增多对改性剂的选择，有助于不同领域的应

用效果，且对粉体包覆效果好，可削减对机械的磨损。但由于活性基团

过多，对反应难以掌控，应用于工业生产难度较大。

改性剂支链越长，由于空间位阻，对改性过程越不利。有讨论证

明偶联剂复合改性的效果比单一改性效果要好，两种偶联剂相互缠绕交联，使改性反应基团增多。如林金辉等人利用球磨机对粉石英进行机械

力化学改性，当硅烷偶联剂KH－570与铝酸酯偶联剂DL－411质量比为1∶1，总用量为0.7%时，改性效果较单一改性好，且复合改性后，对填充在制品中的力学性能有很大提高。

4进展趋势

当前对改性的石英粉体粒度要求趋于超细化，纳米石英粉体具有

三维网状结构，具有优越的稳定性、增稠性、触变性、电绝缘性、汲取

性及削光性等性能，在浩繁应用领域内独具特性，有着不可取代的作用，具有很好的进展前景。但极易团聚，表面有大量的活性点，易吸附各种

原子和分子。由于具有良好的透光率和红外线反射本领等，被大量应用

于薄膜、涂料等领域中。但纳米石英粉体的制备较之微米级成本高，市

场需求大。

对于不同应用领域，对改性石英粉体的要求各有差异，如应用于

塑料薄膜，则要求石英粉体粒度要求高，粒度太大，则无法吹膜，且薄

膜的力学性能会大力下降。改性剂不同，填充的聚合物也会不同，由于

不同的化学基团结构相容程度差异较大。如带有链烯基、氯烃基的偶联

剂改性后石英粉体被大量填充于PE中，被带有多硫烃基的偶联剂改性

后则大量填充于橡胶中。随着科学技术的进展，石英粉体的改性技术会

变得更行业化、更简单高效。改性剂多能性会加强，适用范围更广，成

本更低，改性效果更优异。

5结论

由于石英粉体的特性，在各行业的应用价值极高，将来将会在科

技进展和社会生活中得到更好的开发。随着社会需求的加添，技术的进展。石英粉体粒径会细小化，球形化。超细石英粉体的的制备技术会更

合理，更经济，会大幅提高石英粉体本身的应用价值。随着生产设备的

不断提高，高端改性技术会日趋工业化，将极大拓宽其应用领域。总之，我国的石英粉体改性讨论已经取得重点成果，将来必在一些未知应用领

域中大放异彩。