小粒径膨胀珍珠岩的表面改性研究

刘红燕， 张艳丽， 潘 玮， 梅 林

(中原工学院， 郑州 450007)

小粒径膨胀珍珠岩的表面改性研究

刘红燕， 张艳丽， 潘 玮， 梅 林

(中原工学院， 郑州 450007)

利用聚二甲基硅氧烷类有机硅憎水剂对小粒径膨胀珍珠岩进行了改性，讨论了改性剂用量、改性干燥时间、改性干燥温度对改性效果的影响。结果表明，最佳改性条件为改性剂用量1.5%、改性干燥时间2 h、改性干燥温度200 ℃，并用红外光谱法对其进行了表征。

小粒径膨胀珍珠岩；憎水剂；表面改性；红外光谱法

膨胀珍珠岩由于本身的多孔结构，在使用过程中具有较强的吸水能力，这在很大程度上会影响珍珠岩材料的使用功效。小粒径膨胀珍珠岩的主要用途是用作填料。虽然与大粒径膨胀珍珠岩相比，其吸水率较低，但相比常用的轻钙和炭黑等填料，其吸水率还是过大。另外，作为填料，还要求在基体中有良好的分散性。因此，小粒径膨胀珍珠岩在使用前需要进行表面改性处理，通常采用表面憎水处理来达到目的。本文采用一种有机硅憎水剂对小粒径膨胀珍珠岩进行表面改性，并讨论改性剂用量、改性干燥时间和改性干燥温度对实验结果的影响，最终选择比较合理的改性参数。

1 改性原理分析

有机硅类化合物(如BS1042)与珍珠岩之间有较强的化学亲合力，能有效改变珍珠岩的表面特性。带有反应活性基的硅氧烷通过特定条件能相互作用形成氢链，而且能与珍珠岩基材中的羟基发生化学反应形成末端带有-Si-R基的硅烷链。 聚二甲基硅氧烷类有机硅的憎水原理是通过在基材表面和毛细孔内壁形成憎水的硅树脂网络，使基材的表面张力发生变化，增大基材表面与水的接触角，减小毛细孔对水的吸附作用，赋予材料憎水性；同时，又保持基材的透气性和渗透性，使其用作填料时具有良好的分散性。其最大优点是在基材的表层形成更稳固的硅树脂网络，使材料产生更强更稳固的憎水性能[1]。因此，表面处理后不会影响珍珠岩颗粒的其他性能。

通过上述作用生成的牢固的疏水性网状硅氧烷分子膜，具有很低的表面张力，能均匀分布在多孔的珍珠岩基材的微孔壁上，且不封闭其毛细管道，不影响湿材料(制品)在干燥过程中内部水分的排出。经过处理的珍珠岩干燥后再遇水，水在毛细管壁上的接触角为100°～130°，使滴在其上的水成为珠状，无法渗入到基材内部，使其具有整体改性功效。

2 实 验

2.1 实验材料

小粒径膨胀珍珠岩，自制；憎水剂BS1042，工业级，汕头经济特区龙湖科技有限公司生产；液体石蜡，化学纯，北京化工厂生产。

2.2 实验过程

本实验采用BS1042憎水剂作表面改性剂，并利用喷涂法对珍珠岩进行表面改性。首先将不同用量的表面改性剂用水稀释20倍，然后均匀喷涂在珍珠岩的表面，在不同温度下干燥不同时间，讨论不同处理条件对改性效果的影响。

矿物粉体的疏水性表面改性，可用其与有机液体组成的悬浮液的黏度评价[2]。本实验通过测试改性后粉体的黏度来评价其改性效果。

把经表面憎水处理的5 g的小粒径膨胀珍珠岩放入20 ml的液体石蜡中，常温下用电动搅拌器搅拌20 min，使膨胀珍珠岩充分分散在液体石蜡中并处于相对稳定的状态，用旋转黏度计测定所得悬浮液的黏度，最后用红外光谱法进行表征。

3 结果与讨论

3.1 改性剂用量对黏度的影响

表面改性剂的用量与包覆率存在一定的关系。对于湿法改性，表面改性剂在粉体表面的包覆量不一定等于表面改性剂的用量，因为总有一部分表面改性剂未能与粉体颗粒发生作用。理论上表面改性剂的最佳用量是颗粒表面达到单分子层吸附时所需要的用量，但实际用量要大于达到单分子层吸附时所需要的用量。

改性剂用量是影响改性效果的重要因素。在其他条件不变的情况下，用粒径为120～180 μm的膨胀珍珠岩作为样品，改性剂用量对改性效果的影响如图1所示。

随着改性剂用量的增加，改性膨胀珍珠岩的黏度逐渐减小。当改性剂用量为1.5%时，黏度达到最小，改性效果最佳。随后，增加改性剂的用量，改性效果趋于平稳。

改性处理后，膨胀珍珠岩粉料孔洞的孔壁表面由亲水性变为憎水性，提高了材料的憎水性。改性剂用量直接影响膨胀珍珠岩的改性效果和产品成本。若改性剂用量过少，不足以在膨胀珍珠岩表面形成完整的憎水膜，遇水后，膨胀珍珠岩局部吸水，导致堆积密度增大、导热系数上升，小粒径样品作为填料与基体的相容性变差。随着改性剂用量增加，改性效果变化不大，而产品成本增高。当改性剂用量过多时，改性剂在膨胀珍珠岩表面形成多层物理吸附，使部分极性基团朝外，膨胀珍珠岩表面疏水性降低，引起黏度稍微增加[3]。所以，改性剂的用量要适度，并不是越多越好。

不同粒径的膨胀珍珠岩达到最佳膨胀效果时所需要的改性剂用量也不相同，如表1所示。从表1可以明显看出，随着膨胀珍珠岩粒度的减小，达到最佳改性效果时所需要的改性剂用量逐渐增加。这是因为，在忽略孔隙率的情况下，粉体的比表面积与其粒度大小呈反比例关系，即粒度越细，粉体的比表面积越大。在使用同一种表面改性剂的情况下，粉体的粒度越细，比表面积越大，表面改性剂的用量也越大。

表1 粒径与最佳改性剂用量的关系

但是各种粉体在具体改性过程中，其最佳用量的确定还需要通过改性试验和应用试验来确定。这是因为表面改性剂的用量不仅与表面改性剂的分散和包裹的均匀性有关，还与应用体系对粉体原料的表面性质和技术指标的具体要求有关[4]。

3.2 改性干燥时间

以120～180 μm粒径的膨胀珍珠岩作为样品，在最佳用量1.5%时，保持其他条件不变，讨论改性干燥时间对改性效果的影响。将改性后的膨胀珍珠岩分别烘干1 h、2 h、3 h、4 h，用黏度法对改性样品进行评价，实验结果如图2所示。结果表明，当烘干时间为2 h时，改性效果最佳。

图2 改性干燥时间与黏度的关系

在干燥时，首先蒸发掉颗粒外围的水分。随着时间的延长，改性剂在膨胀珍珠岩表面的覆盖量迅速增加，到2 h时，改性剂用量达到最大值，黏度达到最小值。此后，继续延长改性时间，黏度变化趋于平缓。

如果改性干燥时间过短，表面改性剂不能彻底均匀分散在膨胀珍珠岩粉体中，会导致局部改性剂过多，从而影响改性效果。如果改性干燥时间过长，从生产效率和节能角度来讲是不利的，而且过长的改性干燥时间会产生改性剂挥发损耗的现象[5]。

3.3 改性干燥温度

改性剂的改性效果与干燥温度有直接关系。适当的温度有利于改性剂在水中分散，但是干燥温度过高又会降低改性效果。图3反映了这种趋势。从图3可知，当改性干燥温度为200 ℃时，改性效果最佳；高于或低于这个温度，其改性效果都会降低。因此，最佳改性干燥温度为200 ℃。改性干燥温度低时，改性剂没能充分与膨胀珍珠岩发生反应，所以不能充分覆盖在珍珠岩的表面；改性干燥温度高时，高温可能会破坏改性剂的结构或使其挥发，使改性效果降低。所以，改性干燥温度应该低于改性剂的分解或挥发温度。

图3 改性干燥温度与黏度的关系

4 FT-IR分析

图4是膨胀珍珠岩改性前后的红外光谱图。由图4可知，改性珍珠岩和未改性珍珠岩共同的谱带出现在3 646.35 cm-1、1 057.68 cm-1、792.11 cm-1和457.13 cm-1处。其中，3 646.35 cm-1处的吸收峰是由氢键和游离的Si-OH缔合的羟基[10]；1 057.68 cm-1和457.13 cm-1处的吸收峰分别是由Si-O-Si的非对称伸缩振动和弯曲振动引起的[6]；792.11 cm-1处的吸收峰是由Si-O-Al中的Si-O伸缩振动引起的[7]。但改性膨胀珍珠岩在2 964.76 cm-1处也存在一个吸收峰，该峰是-CH3的吸收峰，是由C-H的非对称伸缩振动引起，而未改性膨胀珍珠岩却没有出现这一吸收峰。这说明改性膨胀珍珠岩的颗粒表面化学成分发生了变化，形成了新的化学键，表明改性剂BS1042是通过化学反应与膨胀珍珠岩颗粒表面结合并形成憎水膜。

图4 膨胀珍珠岩改性前后红外光谱图

5 结 语

本文用一种有机硅改性剂对膨胀珍珠岩进行了改性处理，运用黏度法评价了改性效果，并得出最佳改性条件：改性剂用量1.5%、改性干燥时间2 h、改性干燥温度200 ℃，并用红外光谱法对其进行了分析。改性膨胀珍珠岩的红外光谱图在2 964.76 cm-1处出现了吸收峰，这是-CH3的吸收峰，是由C-H的非对称伸缩振动引起的，说明改性膨胀珍珠岩的颗粒表面化学成分发生了变化，形成了新的化学键，产生了化学吸附。

[1] 孙顺杰, 张琳, 刘天池, 等. 憎水型膨胀珍珠岩制备过程中吸水率影响因素探讨[J].化学建材, 2008, 24,(5): 32-33.

[2] 沈上越, 池波, 李珍, 等. 硅灰石表面改性及效果评价[J]. 矿产保护与利用, 2000, 12(6): 24-25.

[3] 张桂兰, 陈晨曦. 非金属矿粉的表面改性研究及应用[J]. 化学建材, 2006, 22(5): 14-16.

[4] 郑水林. 影响粉体表面改性效果的主要因素[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2003(1): 13-14.

[5] 许丽, 徐杭庆, 盖国胜, 等. 硅灰石针状粉的表面改性及在橡胶中的应用[J]. 高分子材料科学与工程, 2004, 20(3): 175-178.

[6] Sodeyama K, Sakka Y, Kamino Y. Preparation of Fine Expanded Perlite[J]. Journal of Material Science, 1999，34(10): 2461-2468.

[7] 王佼, 郑水林. 用硅藻土制备超细白炭黑工艺中氨基硅烷的作用研究[J]. 非金属矿, 2007, 30(4): 1-3.

(责任编辑：席艳君)

我校“纺织服装新材料及高端装备”学科群
入选河南省优势特色学科建设工程

2015年12月12日，根据河南省教育厅、河南省财政厅《关于公布河南省优势特色学科建设工程一期建设学科名单的通知》(教高〔2015〕1086号)，我校“纺织服装新材料及高端装备”学科群获“河南省优势特色学科建设工程一期建设学科”特色学科A类项目立项建设。

河南省优势特色学科建设工程一期建设期为2015年至2019年，旨在加强河南省优势特色学科建设，加快高水平大学和特色骨干大学建设，进一步提升高等教育整体水平，为河南省经济社会的持续健康发展作出贡献。此次获批的“河南省优势特色学科建设工程一期建设学科”共有35个，其中优势学科10个(A类学科8个，B类学科2个)，特色学科25个(A类学科15个，B类学科10个)。

我校“纺织服装新材料及高端装备”学科群包含“功能性纤维材料”“先进纺织装备制造”“特种防护服装”“产业用纺织品”4个研究方向。作为特色学科A类重点建设学科，我校特色学科建设将以在关键应用领域取得突破、学科综合实力进入国内前列为目标，着力服务河南省经济社会发展重大需求，凝练学科方向、汇聚学科队伍、培养创新人才、构建高端平台、推进科研成果转化、创新体制机制、产出一流成果，力争在2019年一期建设期满取得显著成效。

Study on Surface Modification of Small Size Particle Expanded Perlite

LIU Hong-yan， ZHANG Yan-li， PAN Wei, MEI Lin

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Small size particle expanded perlite is modified by the hydrophobic agent of polydimethylsiloxyl silicone. The effect of surface modification is studied on modifier amount, modified time and temperature. The results show that the optimal modification conditions of modifier amount, modified time and temperature are 1.5%, 2 h and 200 ℃, respectively. This perlite is characterized using infrared spectroscopy.

small size particle expanded perlite； hydrophobic agent； surface modification； infrared spectroscopy

2015-05-27

刘红燕(1975-)，女，河南滑县人，实验师，硕士，主要研究方向为无机非金属材料。

1671-6906(2015)06-0053-04

TD97

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.012