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硅微粉表面改性效果好不好,看这几点

作者:创通石英 来源: 日期:2024/6/2 14:17:04 人气:1 标签:

硅微粉本身属于极性、亲水性的物质,与高分子聚合物基质的界面属性不同,相容性较差,在基料中往往难以分散,因此,通常需要对硅微粉进行表面改性,根据应用的需要有目的地改变硅微粉表面的物理化学性质,从而改善其与有机高分子材料的相容性,满足其在高分子材料中的分散性与流动性需求。


硅微粉原料质量、改性工艺、表面改性方法及改性剂、改性剂用量、改性工艺条件(改性温度、时间、pH及搅拌速度)等因素均影响硅微粉表面改性效果,其中,表面改性方法及改性剂是影响改性效果的主要因素。


1、硅微粉原料质量


硅微粉的种类、粒度、比表面积、表面官能团等性质直接影响其与表面改性剂的结合作用。不同种类的硅微粉改性效果也是有一定差异的,其中球形硅微粉具有很好的流动性,在改性的过程中易与改性剂结合,能够较好地分散在有机高分子体系中,并且密度、硬度、介电常数等性能都明显优于角形硅微粉。


例如,黄伟壮等研究了不同类型硅微粉对覆铜板耐热性的影响,通过将无定形硅微粉、类球形结晶型硅微粉、球形熔融型硅微粉分别作为填料制备覆铜板,测定了覆铜板的耐热性及界面性能。结果表明,球形硅微粉能够更好地与环氧树脂相容,所制备的覆铜板耐热性能较好。


通常,硅微粉粒度越小,比表面积越大,表面的活性位点的数量也就越多,改性剂的使用量也将增大。另外,不同粒度的硅微粉在应用的过程中,对下游产品的性能也有一定的影响。例如,硅微粉在与树脂混合的过程中,应严格控制粒度分布,不宜过大或过小,粒度过大填充应用性能较差,而粒度过小将会造成树脂体系粘度增大,流动性变差。


2、表面改性方法及改性剂


目前,硅微粉表面改性方法主要为有机改性、无机改性和机械力化学改性等,其中最常用的改性方法是有机改性。单一的改性效果不佳时可考虑将有机改性与其他改性方法结合进行复合改性


(1)有机改性


有机改性是利用有机物中的官能团能够在硅微粉表面进行物理吸附、化学吸附以及化学反应来改变硅微粉表面性质的方法。


目前,最常用的有机改性剂是硅烷偶联剂,主要包括氨基、环氧基、乙烯基、硫基等种类,改性效果通常较好,但价格昂贵。部分研究者采用铝酸酯、钛酸酯、硬脂酸等价格相对低廉的改性剂对硅微粉进行,但改性效果往往不如硅烷偶联剂,因此,结合经济效益和改性效果,采用2种及以上表面改性剂对硅微粉进行复合改性,其效果较使用单一改性剂的往往更为理想。


(2)无机改性


无机改性是指在硅微粉表面包裹或复合金属、无机氧化物、氢氧化物等以赋予材料新功能。例如Oyama等采用沉淀方法在SiO2表面覆盖Al(OH)3,然后用聚二乙烯基苯包裹改性后的SiO2,可满足某些特殊方面的应用需求。


(3)机械力化学改性


机械力化学改性是指首先利用超细粉碎及其他强烈机械力激活粉体颗粒表面,以增加硅微粉表面的活性点或活性基团,然后结合改性剂实现对硅微粉的复合改性。


3、改性剂用量


改性剂的用量通常与硅微粉表面活性点(如Si-OH)数量以及改性剂覆盖表面的单分子层、双分子厚度有一定关系。


当改性剂用量过小时,导致硅微粉表面的活化程度不高;当改性剂用量过大时,不仅会造成改性成本的增加,而且会在改性后的硅微粉表面形成多层物理吸附,使得硅微粉与有机聚合物之间的界面形成薄弱层,导致无法发挥单分子的桥梁作用。


4、改性工艺及条件优化


硅微粉常用的改性工艺主要包括干法改性、湿法改性、复合改性。


(1)干法改性是硅微粉在相对干燥的状态下分散于改性设备中,并配合一定量的表面改性剂在一定温度下实现的改性。干法改性工艺简单,生产成本低,是目前国内硅微粉表面改性的主要方式,适合于微米级别硅微粉。


(2)湿法改性是指在液相条件下对硅微粉表面进行润湿,降低表面的结合能,然后加入一定量的表面改性剂和助剂,在一定温度下搅拌分散,实现硅微粉的表面改性。湿法改性工艺能使硅微粉与改性剂更容易分散并更加充分的结合,改性更均匀,但后续需要脱水作业,工艺流程复杂且能耗高,更适合粒径小于5μm的超细硅微粉改性。此外,湿法改性过程中还应考虑改性剂的水溶性,因为只有水溶性较好的改性剂才能更好地分散并与硅微粉表面Si-OH基作用。


(3)复合改性是指结合干法和湿法2种改性工艺,进一步提高硅微粉的活化程度。例如,曹家凯等通过干法和湿法工艺分两步进行改性,即首先通过干法改性,采用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲基硅烷对硅微粉进行初步改性,而后通过湿法改性,采用N-苯基-氨基三甲氧基硅烷进行改性得到活性硅微粉。结果表明,复合改性工艺所制得的硅微粉活性高,疏水性好,表面羟基数量少,能够更好地分散于树脂体系。


另外,为使得硅微粉具有良好的改性效果,应控制改性过程中的温度、pH、时间、搅拌速度等工艺条件。


改性温度是改性剂与硅微粉发生缩合、脱水以及形成牢固共价键的重要条件,改性温度不宜过高或过低,过高的温度使改性剂分解或挥发,过低的温度将使改性剂与硅微粉反应速率降低,影响改性效果。


对于通过溶剂溶解的改性剂,pH将影响水解效果。较长的改性时间使改性剂与硅微粉之间作用更加充分和牢固;合适的搅拌速度能够使改性剂与硅微粉接触更加充分,提高改性剂在硅微粉中的分散性。


来源:中国粉体技术网


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