超细硅微粉表面改性的研究
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邻苯二甲酸二丁酯，无锡亚盛化工有限公司； 液 体 石 蜡，无 锡 亚 盛 化 工 有 限 公 司；硅 烷 偶 联 剂 YDH-550，化学名称：γ- 氨丙基三乙氧基硅烷，南京裕 德恒硅烷偶联剂厂。
LS908(A) 型激光粒度仪，珠海欧美克科技有限 公司；TD-3000 X 射线衍射仪，丹东通达仪器有限公 司；Nicolet Nexus 470 傅立叶变换红外光谱仪，美国 Thermo Nicolet 公司；JEM-2000E 透射电镜，日本电子 株式会社；NDJ-5 旋转黏度计，上海昌吉地质仪器有 限公司；JJ-1 电动搅拌器，金坛市友联仪器研究所。 1.3 改性方法 将一定量超细硅微粉加入到三口烧 瓶中，预热，加入 1∶1 的氨水，调节 pH=8.5 左右， 控 制温度于 120℃预热 2h 脱除水分，90℃下加入硅微粉 不同质量分数的硅烷偶联剂 YDH-550 进行表面改性， 高速搅拌 90min 后，120℃干燥。 1.4 改性效果表征 1.4.1 吸油率的测定：准确称取 5.0g 样品于表面皿 上，用滴管滴加邻苯二甲酸二丁酯，并用调刀调匀，当 粘结成团块刚好涂敷粘于表面皿上而无裂纹和碎片 为止，称重，计算此时用邻苯二甲酸二丁酯量，换算成 100g 超细硅微粉吸油值。 1.4.2 活化指数的测定：准确称取试样 4.0g，置于 100ml 带盖刻度量筒中，加入适量蒸馏水，振荡，静置， 待体系稳定后，移取水面上漂浮部分，干燥，精确称 量，计算活化指数。
[3] 王亚强，李玉平，郑廷秀，等 . 超细二氧化硅改性及其在建筑涂料中 的应用 [J]. 非金属矿，2004，27(3)：18-19.
[4] 李金涛，林金辉 . 粉石英表面改性及其效果的表征 [J]. 非金属矿， 2004，27(3)：16-17.
[5] 杨华明，谭定桥，陈德良，等 . 活性粉石英的制备及应用 [J]. 非金属 矿，2002，25(5)：33-34.
2. 通过黏度测定、红外光谱和透射电镜测试，发 现改性效果较明显。红外光谱表明改性剂键合到超 细硅微粉的表面，透射电镜图显示改性后超细硅微粉 颗粒棱角得到钝化。本方法可有效改变超细硅微粉 的表面极性、改善其使用性能、拓展其应用领域，对促 进石英尾砂的资源化利用有积极意义。
图5 改性前超细硅微粉的红外光谱图
关键词 超细硅微粉 表面改性 石英尾砂 矿产综合利用 中图分类号：TB321;TD985 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2009)04-0014-03
Study on Surface Modification of Super-fine Quartz Powder
Wang Chuanhu Ge Jinlong Zeng Xiaojian ( Laboratory of Chemistry and Materials Science Bengbu College, Bengbu, Anhui 233030 ) Abstract Taking quartz tailing as raw materials of super-fine quartz powder is an effective approach for comprehersive utilization. To improve the properties and extend the application field of the super-fine quartz powder，surface modification with YDH-550 was studied in this paper. The optimal conditions were determined by parameters of oil absorption rate, activation index and wet-out time. The results showed that the best application amount of YDH-550 is 1.5%. The FTIR results suggested that surface modifier was chemical bonding with quartz powder and TEM investigated that the surface of quartz powder was passived after modified. Key words super-fine quartz powder surface modification quartz tailing comprehersive utilization
的黏度均有较大降低。
2.5 红外光谱分析 超细硅微粉改性前后的红外光
- 15 -
第32卷第4期
非金属矿
2009年7月
表2 超细硅微粉改性前后分散在有机溶剂中黏度的
变化
样品 / 介质
液体石蜡 /mPa· s
改性前
改性后
邻苯二甲酸二丁酯 /mPa· s
改性前
改性后
1∶4
307
238
336
277
1∶3
370
326
518
461
谱分别见图 5、图 6。改性前试样在 1088.0cm-1 为 SiO-Si 的反对称伸缩结构，799.0cm-1 为 Si-O-Si 的对称
伸缩结构吸收峰，为硅微粉的特征振动吸收峰 [9]。改 性后试样在 1379.9cm-1~1867.1cm-1 波数范围出现明 显的新的振动吸收带，其中 1504.9cm-1 和 1540.1cm-1 出现亚甲基的吸收峰，1650.1cm-1 为 C=C 的伸缩振动， 1700.2cm-1 为 C=O 的吸收峰，表明改性剂键合到硅微 粉的表面。在 3563.3cm-1~3907.8cm-1 为硅羟基的伸
活化指数 H = 漂浮质量 (g) / 样品质量 (g)。 1.4.3 渗透时间的测定：取一定试样放入一扁平小容 器中，用平板玻璃将表面用力压实，使表面光滑，用滴 管滴一滴水或者有机试液，记录完全被试样吸收的时 间和滴加时与试样表面的接触角。 1.4.4 黏度的测定和红外光谱、透射电镜表征：选定 最优化的改性产品，分别测定试样改性前后在液体石 蜡、邻苯二甲酸二丁酯等介质中的黏度；分别进行试 样改性前后红外光谱和透射电镜测试。 2 结果与分析 2.1 改性对硅微粉吸油率的影响 超细硅微粉改性 吸油值变化见图 3。由图 3 可以看出，改性后吸油值 相比未改性都有不同程度的下降，说明偶联剂改变了 超细硅微粉的表面性质。 2.2 改性对超细硅微粉活化指数的影响 超细硅微 粉活化指数与改性剂用量见图 4。改性前试样表面
水
渗透时 接触角 间 /s / (° )
0.0
5.5
<90
液体石蜡 邻苯二甲酸二丁酯
渗透时 接触角 渗透时 接触角
间 /s /(° )
间 /s /(° )
46
>90
28
>90
1.0
பைடு நூலகம்
8.0
<90
40
<90
25
>90
1.5
16
>90
32
<90
22
<90
2.0
17
>90
32
<90
21
<90
2.5
16
>90
图1 超细硅微粉粒径分布图
收稿日期：2009-05-31 基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目(2006KJ154B)；安徽 省凤阳县科技计划项目(200801)。
- 14 -
2θ/(°)
图2 超细硅微粉的XRD图
第32卷第4期
非金属矿
2009年7月
0.2454nm、0.2340nm、0.1817nm、0.154nm 等 处 出 现 很 强的 α 石英的特征峰。 1.2 试剂与仪器
图6 改性后超细硅微粉的红外光谱图 2.6 透射电镜分析 图 7 为未改性的超细硅微粉的 透射电镜图像，从图 7 可看出，超细硅微粉的颗粒为
参考文献：
[1] 陈建强，陈清，陈晓虹，等 . 硅微粉的表面改性及其在环氧树脂浇铸 件中的应用 [J]. 浙江化工，2004，35(8)：6-7.
[2] 苏宪君 . 超细硅微粉在塑料、橡胶及涂料中的应用 [J]. 中国粉体技 术，2003(5)：43-46.
的渗透时间长表明疏水性好，亲水性差，与有机溶剂
的渗透时间长说明疏水性差，亲水性好 [8]。
超细硅微粉改性前后的渗透时间，见表 1。表 1
中显示改性后试样在液体石蜡和邻苯二甲酸二丁酯
中的渗透时间都有所降低，随着改性剂用量增加，渗
透时间逐渐降低。
表1 偶联剂用量对超细硅微粉渗透时间和接触角的
影响
偶联剂 用量 /%
图3 吸油率与偶联剂用量关系 呈极性状态亲水性好，且具有较大的相对密度，易自 然沉降，活化指数低；改性后试样表面呈非极性，疏水 性增强，活化指数增大。图 4 显示，在改性剂用量大 于 1.5% 后，活化指数增大趋缓。
2.3 改性对超细硅微粉渗透时间的影响 渗透时间 可以表征改性试样与水或者有机溶剂的相溶性，与水
粉石英和硅微粉的表面改性研究较多 [4~6]，由石 英岩或石英尾砂制备的超细硅微粉的改性少见报道。
在前人工作的基础上，本实验采用硅烷偶联剂 YDH-550 为改性剂，对用石英尾砂作原料生产的超细
硅微粉进行表面改性研究。 1 实验部分 1.1 原料 超细硅微粉，由安徽凤阳某企业提供； 密度 2.46g/cm3，松散密度 0.82g/cm3；化学成分 (wt%) 为：SiO2，99.05；Al2O3，0.20；Fe2O3，0.12；CaO，0.08； MgO，0.06；R2O，0.05；Loss，0.15。 粒 径 分 布 见 图 1， D50 为 1.86μm，D90 为 4.22μm，比表面积为 7.51m2/g。 XRD 测试见图 2，在晶面间距 (d)0.4251nm、0.3343nm、
缩振动吸收，表明改性后试样表面有硅羟基的生成。
半自形 - 不规则的粒状结构，具有四面体的晶体特征， 表面较尖锐，棱角明显，这主要是由于硅微粉在粉磨 时形成的。图 8 为改性后超细硅微粉的透射电镜图 像，对比显示改性后颗粒棱角有所钝化。
图8 改性后超细硅微粉的TEM图 3 结论
1. 用硅烷偶联剂 YDH-550，对以石英尾砂为原料 生产的超细硅微粉进行了表面改性，从超细硅微粉的 吸油率、活化指数、渗透时间等指标来选择改性条件， 研究发现改性剂 YDH-550 用量为 1.5% 效果较好。
安徽省凤阳县已初步探明石英岩储量 50 亿 t，远 景储量 100 亿 t，该县石英砂加工企业众多，石英砂年 产量 500 万 t，年产生石英尾砂 100 万 t。因石英尾砂 粒度细、杂质含量较高，用途受到很大限制，给矿区环 境造成巨大压力，其综合利用已迫在眉睫。
为了综合利用矿产资源，变废为宝，当地某企业 利用石英尾砂作原料，通过振动磨生产超细硅微粉， 产品规格 400 目 ~5000 目。该产品可用于陶瓷、玻纤、 保温材料、耐火材料等领域；因该法生产的超细硅微 粉为石英晶型粉末，表面极性强、分散性较差，严重影 响其使用范围。通过表面改性，将矿物表面原有的极 性改为非极性，改善硅微粉与有机高分子的亲和性、 相容性以及流动性、分散性，可提高有机复合材料的 机械性能 [1]，能广泛用于塑料、橡胶、胶粘剂、油漆、涂 料、电绝缘封装材料等领域 。 [2,3]
第32卷第4期 2009年7月
非金属矿
Non-Metallic Mines
Vol.32 No.4 July, 2009
超细硅微粉表面改性的研究
王传虎 葛金龙 曾小剑
（蚌埠学院化学与材料实验室，安徽 蚌埠 233030）
摘 要 以石英尾砂为原料生产超细硅微粉是综合利用尾砂的良好途径，为了改善超细硅微粉的性能和拓展其应用领域，探索用硅烷偶联 剂 YDH-550，进行表面改性。从硅微粉的吸油率、活化指数、渗透时间等指标来优化改性条件，研究发现改性剂 YDH-550 用量为 1.5% 时，改性效 果较好；红外光谱表征结果显示，改性剂键合到硅微粉的表面；透射电镜表征显示，改性后硅微粉颗粒棱角得到钝化。
30
<90
23
<90
综合吸油率、活化指数、渗透时间等指标，并综合
考虑经济成本等因素，选定改性剂用量为 1.5% 较为
理想。
2.4 改性对超细硅微粉分散性的影响 颗粒在有机 材料中的分散性与其有机溶剂中的黏度有相关性，超
细硅微粉改性前后在有机溶剂中黏度的变化，见表 2。
显示改性后试样在液体石蜡和邻苯二甲酸二丁酯中
LS908(A) 型激光粒度仪，珠海欧美克科技有限 公司；TD-3000 X 射线衍射仪，丹东通达仪器有限公 司；Nicolet Nexus 470 傅立叶变换红外光谱仪，美国 Thermo Nicolet 公司；JEM-2000E 透射电镜，日本电子 株式会社；NDJ-5 旋转黏度计，上海昌吉地质仪器有 限公司；JJ-1 电动搅拌器，金坛市友联仪器研究所。 1.3 改性方法 将一定量超细硅微粉加入到三口烧 瓶中，预热，加入 1∶1 的氨水，调节 pH=8.5 左右， 控 制温度于 120℃预热 2h 脱除水分，90℃下加入硅微粉 不同质量分数的硅烷偶联剂 YDH-550 进行表面改性， 高速搅拌 90min 后，120℃干燥。 1.4 改性效果表征 1.4.1 吸油率的测定：准确称取 5.0g 样品于表面皿 上，用滴管滴加邻苯二甲酸二丁酯，并用调刀调匀，当 粘结成团块刚好涂敷粘于表面皿上而无裂纹和碎片 为止，称重，计算此时用邻苯二甲酸二丁酯量，换算成 100g 超细硅微粉吸油值。 1.4.2 活化指数的测定：准确称取试样 4.0g，置于 100ml 带盖刻度量筒中，加入适量蒸馏水，振荡，静置， 待体系稳定后，移取水面上漂浮部分，干燥，精确称 量，计算活化指数。
[3] 王亚强，李玉平，郑廷秀，等 . 超细二氧化硅改性及其在建筑涂料中 的应用 [J]. 非金属矿，2004，27(3)：18-19.
[4] 李金涛，林金辉 . 粉石英表面改性及其效果的表征 [J]. 非金属矿， 2004，27(3)：16-17.
[5] 杨华明，谭定桥，陈德良，等 . 活性粉石英的制备及应用 [J]. 非金属 矿，2002，25(5)：33-34.
2. 通过黏度测定、红外光谱和透射电镜测试，发 现改性效果较明显。红外光谱表明改性剂键合到超 细硅微粉的表面，透射电镜图显示改性后超细硅微粉 颗粒棱角得到钝化。本方法可有效改变超细硅微粉 的表面极性、改善其使用性能、拓展其应用领域，对促 进石英尾砂的资源化利用有积极意义。
图5 改性前超细硅微粉的红外光谱图
关键词 超细硅微粉 表面改性 石英尾砂 矿产综合利用 中图分类号：TB321;TD985 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2009)04-0014-03
Study on Surface Modification of Super-fine Quartz Powder
Wang Chuanhu Ge Jinlong Zeng Xiaojian ( Laboratory of Chemistry and Materials Science Bengbu College, Bengbu, Anhui 233030 ) Abstract Taking quartz tailing as raw materials of super-fine quartz powder is an effective approach for comprehersive utilization. To improve the properties and extend the application field of the super-fine quartz powder，surface modification with YDH-550 was studied in this paper. The optimal conditions were determined by parameters of oil absorption rate, activation index and wet-out time. The results showed that the best application amount of YDH-550 is 1.5%. The FTIR results suggested that surface modifier was chemical bonding with quartz powder and TEM investigated that the surface of quartz powder was passived after modified. Key words super-fine quartz powder surface modification quartz tailing comprehersive utilization
的黏度均有较大降低。
2.5 红外光谱分析 超细硅微粉改性前后的红外光
- 15 -
第32卷第4期
非金属矿
2009年7月
表2 超细硅微粉改性前后分散在有机溶剂中黏度的
变化
样品 / 介质
液体石蜡 /mPa· s
改性前
改性后
邻苯二甲酸二丁酯 /mPa· s
改性前
改性后
1∶4
307
238
336
277
1∶3
370
326
518
461
谱分别见图 5、图 6。改性前试样在 1088.0cm-1 为 SiO-Si 的反对称伸缩结构，799.0cm-1 为 Si-O-Si 的对称
伸缩结构吸收峰，为硅微粉的特征振动吸收峰 [9]。改 性后试样在 1379.9cm-1~1867.1cm-1 波数范围出现明 显的新的振动吸收带，其中 1504.9cm-1 和 1540.1cm-1 出现亚甲基的吸收峰，1650.1cm-1 为 C=C 的伸缩振动， 1700.2cm-1 为 C=O 的吸收峰，表明改性剂键合到硅微 粉的表面。在 3563.3cm-1~3907.8cm-1 为硅羟基的伸
活化指数 H = 漂浮质量 (g) / 样品质量 (g)。 1.4.3 渗透时间的测定：取一定试样放入一扁平小容 器中，用平板玻璃将表面用力压实，使表面光滑，用滴 管滴一滴水或者有机试液，记录完全被试样吸收的时 间和滴加时与试样表面的接触角。 1.4.4 黏度的测定和红外光谱、透射电镜表征：选定 最优化的改性产品，分别测定试样改性前后在液体石 蜡、邻苯二甲酸二丁酯等介质中的黏度；分别进行试 样改性前后红外光谱和透射电镜测试。 2 结果与分析 2.1 改性对硅微粉吸油率的影响 超细硅微粉改性 吸油值变化见图 3。由图 3 可以看出，改性后吸油值 相比未改性都有不同程度的下降，说明偶联剂改变了 超细硅微粉的表面性质。 2.2 改性对超细硅微粉活化指数的影响 超细硅微 粉活化指数与改性剂用量见图 4。改性前试样表面
水
渗透时 接触角 间 /s / (° )
0.0
5.5
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液体石蜡 邻苯二甲酸二丁酯
渗透时 接触角 渗透时 接触角
间 /s /(° )
间 /s /(° )
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பைடு நூலகம்
8.0
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40
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1.5
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图1 超细硅微粉粒径分布图
收稿日期：2009-05-31 基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目(2006KJ154B)；安徽 省凤阳县科技计划项目(200801)。
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2θ/(°)
图2 超细硅微粉的XRD图
第32卷第4期
非金属矿
2009年7月
0.2454nm、0.2340nm、0.1817nm、0.154nm 等 处 出 现 很 强的 α 石英的特征峰。 1.2 试剂与仪器
图6 改性后超细硅微粉的红外光谱图 2.6 透射电镜分析 图 7 为未改性的超细硅微粉的 透射电镜图像，从图 7 可看出，超细硅微粉的颗粒为
参考文献：
[1] 陈建强，陈清，陈晓虹，等 . 硅微粉的表面改性及其在环氧树脂浇铸 件中的应用 [J]. 浙江化工，2004，35(8)：6-7.
[2] 苏宪君 . 超细硅微粉在塑料、橡胶及涂料中的应用 [J]. 中国粉体技 术，2003(5)：43-46.
的渗透时间长表明疏水性好，亲水性差，与有机溶剂
的渗透时间长说明疏水性差，亲水性好 [8]。
超细硅微粉改性前后的渗透时间，见表 1。表 1
中显示改性后试样在液体石蜡和邻苯二甲酸二丁酯
中的渗透时间都有所降低，随着改性剂用量增加，渗
透时间逐渐降低。
表1 偶联剂用量对超细硅微粉渗透时间和接触角的
影响
偶联剂 用量 /%
图3 吸油率与偶联剂用量关系 呈极性状态亲水性好，且具有较大的相对密度，易自 然沉降，活化指数低；改性后试样表面呈非极性，疏水 性增强，活化指数增大。图 4 显示，在改性剂用量大 于 1.5% 后，活化指数增大趋缓。
2.3 改性对超细硅微粉渗透时间的影响 渗透时间 可以表征改性试样与水或者有机溶剂的相溶性，与水
粉石英和硅微粉的表面改性研究较多 [4~6]，由石 英岩或石英尾砂制备的超细硅微粉的改性少见报道。
在前人工作的基础上，本实验采用硅烷偶联剂 YDH-550 为改性剂，对用石英尾砂作原料生产的超细
硅微粉进行表面改性研究。 1 实验部分 1.1 原料 超细硅微粉，由安徽凤阳某企业提供； 密度 2.46g/cm3，松散密度 0.82g/cm3；化学成分 (wt%) 为：SiO2，99.05；Al2O3，0.20；Fe2O3，0.12；CaO，0.08； MgO，0.06；R2O，0.05；Loss，0.15。 粒 径 分 布 见 图 1， D50 为 1.86μm，D90 为 4.22μm，比表面积为 7.51m2/g。 XRD 测试见图 2，在晶面间距 (d)0.4251nm、0.3343nm、
缩振动吸收，表明改性后试样表面有硅羟基的生成。
半自形 - 不规则的粒状结构，具有四面体的晶体特征， 表面较尖锐，棱角明显，这主要是由于硅微粉在粉磨 时形成的。图 8 为改性后超细硅微粉的透射电镜图 像，对比显示改性后颗粒棱角有所钝化。
图8 改性后超细硅微粉的TEM图 3 结论
1. 用硅烷偶联剂 YDH-550，对以石英尾砂为原料 生产的超细硅微粉进行了表面改性，从超细硅微粉的 吸油率、活化指数、渗透时间等指标来选择改性条件， 研究发现改性剂 YDH-550 用量为 1.5% 效果较好。
安徽省凤阳县已初步探明石英岩储量 50 亿 t，远 景储量 100 亿 t，该县石英砂加工企业众多，石英砂年 产量 500 万 t，年产生石英尾砂 100 万 t。因石英尾砂 粒度细、杂质含量较高，用途受到很大限制，给矿区环 境造成巨大压力，其综合利用已迫在眉睫。
为了综合利用矿产资源，变废为宝，当地某企业 利用石英尾砂作原料，通过振动磨生产超细硅微粉， 产品规格 400 目 ~5000 目。该产品可用于陶瓷、玻纤、 保温材料、耐火材料等领域；因该法生产的超细硅微 粉为石英晶型粉末，表面极性强、分散性较差，严重影 响其使用范围。通过表面改性，将矿物表面原有的极 性改为非极性，改善硅微粉与有机高分子的亲和性、 相容性以及流动性、分散性，可提高有机复合材料的 机械性能 [1]，能广泛用于塑料、橡胶、胶粘剂、油漆、涂 料、电绝缘封装材料等领域 。 [2,3]
第32卷第4期 2009年7月
非金属矿
Non-Metallic Mines
Vol.32 No.4 July, 2009
超细硅微粉表面改性的研究
王传虎 葛金龙 曾小剑
（蚌埠学院化学与材料实验室，安徽 蚌埠 233030）
摘 要 以石英尾砂为原料生产超细硅微粉是综合利用尾砂的良好途径，为了改善超细硅微粉的性能和拓展其应用领域，探索用硅烷偶联 剂 YDH-550，进行表面改性。从硅微粉的吸油率、活化指数、渗透时间等指标来优化改性条件，研究发现改性剂 YDH-550 用量为 1.5% 时，改性效 果较好；红外光谱表征结果显示，改性剂键合到硅微粉的表面；透射电镜表征显示，改性后硅微粉颗粒棱角得到钝化。
30
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<90
综合吸油率、活化指数、渗透时间等指标，并综合
考虑经济成本等因素，选定改性剂用量为 1.5% 较为
理想。
2.4 改性对超细硅微粉分散性的影响 颗粒在有机 材料中的分散性与其有机溶剂中的黏度有相关性，超
细硅微粉改性前后在有机溶剂中黏度的变化，见表 2。
显示改性后试样在液体石蜡和邻苯二甲酸二丁酯中