硬脂酸钠对电气石的表面改性及其结构表征

胡应模，于梦兰

（1.中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083；2.中国地质大学矿物材料国家专业实验室，北京 100083）

1 前言

电气石是一类具有压电性和热电性的天然硅酸盐矿物[1-2]，在温度、压力变化的情况下，电气石晶体易产生电势差，使周围的空气发生电离，产生的空气负离子易移动，将负电荷输送给细菌、灰尘、烟雾等微粒，电荷与这些微粒结合，能达到净化空气，改善人们生活环境的目的[3]。20世纪90年代末，日本率先开创了电气石在环境保护、医疗保健、日用化工、建筑装潢、水质处理、空气净化、节能、水产养殖以及屏蔽电磁辐射等各个新领域的应用[4-5]，其效果优于其他矿物(如沸石、硅藻土等)，是颇受欢迎的环境友好材料[6]。

但因电气石粉体具有亲水性的极性表面，与高分子聚合物表面性能差异较大[7-8]，使之不易在高分子聚合物中分散稳定，从而影响复合材料的综合性能[9]。对电气石粉体进行表面有机化改性，提高其与高分子聚合物基体的相容稳定性，对开拓电气石的应用领域及功能复合材料的开发均具有极其重要的意义；本小组曾以span60、铝酸酯等为改性剂对电气石的表面改性进行过初步探讨[10-11]，明显改善了电气石表面的疏水性。本文以硬脂酸钠为改性剂，对电气石表面的有机化改性条件进行了探讨,并对改性电气石的结构进行了表征。

2 试验部分

2.1 试验原料与仪器

超细电气石粉，粒度为8000目(d501.75μm，d975.23μm)，纯度为98%，河北省灵寿县燕新矿产加工厂产品；硬脂酸钠(RCOONa)，化学纯，西陇化工股份有限公司；无水乙醇，分析纯，北京化工厂；丙酮，分析纯,北京化工厂。

Spectrum 100系列傅立叶变换红外光谱仪，玻金埃尔默仪器(上海)有限公司；D/max-rA 12kw X-射线衍射仪，日本Rigaku分公司； S-4800冷场发射扫描电子显微镜，日本HITACH公司；DSA 100M光学接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司。

2.2 试验操作

在三口烧瓶里加入10g电气石粉体和配好的硬脂酸钠乙醇溶液，在恒温水浴中开动搅拌反应一定时间；将反应混合液进行抽滤，用丙酮洗涤3次，干燥即得改性电气石。

2.3 接触角的测定

用压片机将样品压制成圆饼状试样，用毛细管在试样上滴一滴蒸馏水，用DSA100M光学接触角测量仪测量接触角，测试三次取平均值。改性电气石粉体与水的接触角越大,说明改性效果越好[4]。

3 结果与讨论

3.1 反应时间对电气石改性效果的影响

硬脂酸钠为1%(占干物料百分比)，改性温度50℃，反应时间对电气石改性效果的影响如图1所示。由图1可知，随着反应时间的延长，改性电气石的接触角不断增加，当增加到30min时，接触角出现最大值，随后稍有下降，并趋于平缓，所以本试验的最佳反应时间为30min。

图1 反应时间对电气石改性效果的影响

3.2 反应温度对电气石改性效果的影响

硬脂酸钠为1%(占干物料百分比)，改性时间30min时，反应温度对电气石改性效果的影响如图2所示。由图2可知，随着温度的升高，接触角不断增大，当温度升至60℃时，接触角出现最大值，随后逐渐下降，因此最佳改性温度为60℃，对应的产物接触角超过120°，显示了优良的疏水性。

图2 反应温度对电气石改性效果的影响

3.3 改性剂用量对电气石改性效果的影响

改性温度60℃、改性时间30min时，硬脂酸钠的用量对电气石的改性效果得影响如图3所示，由图3可知，随着硬脂酸钠用量不断增加，产品的接触角不断增加，当用量达到7%时，接触角达到127°，随后又呈下降趋势，即硬脂酸钠的最佳用量为电气石的7%。

图3 硬脂酸钠用量对电气石改性效果的影响

3.4 红外光谱分析

硬脂酸钠改性前后电气石粉体的红外谱分析如图4所示。其中图4(a)为未改性电气石红外谱图，可看出，在3568cm-1处的吸收峰为羟基的吸收峰，1276cm-1为B-O键的振动吸收峰，983cm-1为Si-O的振动吸收峰；图4(b)为硬脂酸钠改性电气石的红外谱图，除在2919cm-1和2849cm-1处出现了烷基的特征峰外，电气石特征吸收峰未发生变化，但与未改性得电气石(图4a)相比，均向低波数发生了几个波数的位移，表明硬脂酸钠与电气石粉体表面之间发生了化学偶联反应，在电气石表面引入了长链烃基。

图4 改性前后电气石的红外光谱图

3.5 扫描电镜分析

硬脂酸钠改性前后电气石的扫描电镜(SEM)结果如图5所示，由图5(a)可看到，改性前电气石有一定的团聚现象，而图5(b)表明，经硬脂酸钠改性后电气石的团聚现象明显减少，显示了较好的分散性。这是因为改性前电气石为亲水性表面，较强的极性使电气石粉体容易产生团聚，经硬脂酸钠改性后，电气石表面的疏水性增强，极性减弱，所以团聚现象明显减少，而表现出较好的分散性。

图5 扫描电镜照片

3.6 XRD分析

图6为改性前后电气石的XRD图。由图6可以看出，改性前后电气石的峰型及强度几乎完全一致，说明硬脂酸钠对电气石的改性只改善电气石表面的疏水性，而没有破坏电气石的晶体结构，因此不会影响电气石原有的物理性质。

图6 改性前后电气石的XRD图

4 结论

由上述试验结果表明，硬脂酸钠改性电气石粉的最佳条件为：无水乙醇为溶剂、硬脂酸钠用量为电气石粉的7%、60℃下反应30min，所得产物的接触角超过125°，显示了优良的疏水性；产物的结构分析表明,硬脂酸钠对电气石粉体表面改性,只改善了电气石粉体表面的疏水性，而没有影响电气石原有的晶体结构。

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