超细、活化粉石英/环氧树脂复合填料生产工艺研究

王抚抚,周佳玮,陈瑞娥

(1. 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 江西 南昌 330013；2. 东华理工大学化学生物与材料科学学院, 江西 南昌 330013；3. 江西财经大学, 江西 南昌 330013)

超细、活化粉石英/环氧树脂复合填料生产工艺研究

王抚抚1 ，2,周佳玮1 ，2,陈瑞娥3

(1. 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 江西 南昌 330013；2. 东华理工大学化学生物与材料科学学院, 江西 南昌 330013；3. 江西财经大学, 江西 南昌 330013)

粉石英是环氧树脂绝缘封装中不可缺少的填充材料，然而粉石英与环氧树脂的混合物在固化过程中会产生交联力，导致制品出现开裂，严重影响使用寿命。文章通过新工艺对粉石英进行增韧处理，旨在消除固化过程中的内应力，提高防裂等性能。通过试验测试对增韧粉石英的外观、白度、黏度、浸润性、吸油量等性能进行分析，为后续研究和工业化生产提供基础资料。

粉石英；固化过程；新工艺；增韧处理

粉石英[1-3]在绝缘封装材料中的主要作用有：抑制环氧树脂固化过程的反应热、延长环氧树脂混合物的试用期、降低环氧固化物的收缩率和热膨胀系数、改善固化物的耐热性和耐电弧性、提高固化物的抗压强度和耐磨损性、降低生产成本等。然而粉石英与环氧树脂的混合物在固化过程中容易产生热应力和交联力，这些应力往往会集中在填料与树脂的接触界面上，导致产生微裂纹，致使材料变脆，抗冲击强度、耐热冲击性和断裂韧性降低。在固化过程中，常因传统工艺条件控制不当，致使制品表面出现裂缝，严重地影响生产和使用寿命。

石英进行活化增韧处理[4]。其原理是在粉石英表面包覆一层具有柔性链段的增韧剂，使刚性填料颗粒表面柔性化。在环氧树脂固化体系[3-5]中，粉石英与环氧树脂之间形成一个柔性应力缓冲层，起传递、吸收和消除应力作用，从而达到增韧环氧树脂的目的，为今后开展扩大试验和实现工业化生产提供基础资料。

1 加工流程

粉石英为本文研究开发活化、增韧粉石英的增韧基体材料[5-7]，其加工过程主要为：粉石英原矿--非活性石英粉--活性石英粉，活性粉石英其本质是在非活性粉石英的表面进行活化处理，即在粉石英表面包覆一层双功能有机高分子材料-偶联剂分子结构中含有两个性质截然不同的官能团。其加工工艺流程图1、2所示。

图1 非活性粉石英加工流程图

1.1 粉砂分离

粉状石英矿是细分散状的硅砂和硅粉组成的混合体，反映在粒度频率分布曲线上，呈现典型的“双峰态”特征。在工业生产中多选用100至160目的筛进行湿法分离，硅砂作为尾矿废弃；(2)脱泥提纯：配制一定浓度的矿浆，采用搅拌和机械擦洗的方法，使颗粒表面之间产生自摩擦，使得黏土、植物碎屑与硅粉充分分散、分离，再加入选矿助剂，使得粉石英沉底，黏土矿物悬浮在水溶液中，排去泥浆悬浮液，得到提纯粉石英；(3)超细分级：采用多级分选池和水力旋流器，主要的分级产品有400目、600目和800目，本文选取的增韧对象为400目粉石英。

图2 活性粉石英加工流程图

1.2 预热干燥

确保粉石英达到活化处理所需要的温度和水份含量；(2)改性助剂的添加：调整粉石英的表面电位，使之与偶联剂更好的键合，提高活化效果；(3)偶联剂的配制：配制偶联剂实质是稀释的过程，稀释后的偶联剂更有利于在粉石英表面上形成单分子膜；(4)筛分除渣：采用旋转风力筛除去活化处理后产生的聚合团粒，保证产品的细度。筛选出来的粉石英就是活性增韧的基体--活性粉石英。

2 增韧处理

粉石英的增韧是利用其表面高的活性、对同性质的物质具有较强吸附能力的特性，吸附有机增韧剂，在粉石英表面包覆一层增韧剂，从而达到增韧的目的。增韧剂在粉石英表面发生吸附是一种界面作用，这种界面作用主要取决于粉石英和增韧剂的结构、性质和相互接触的活性质点(离子、原子、或分子)数。粉石英是一种强极性矿物，对偶极水分子具有较强的吸附性，而增韧剂对水也有较好的亲和性，所以粉石英表面与增韧剂能够发生吸附作用，形成有效的增韧包覆。

2.1 试验方案

粉石英增韧处理的基本条件是在前期探索试验结果的基础上确定的，其主要参数设定情况如表1所示。

表1 增韧处理参数设定情况表

粉石英增韧处理的方法主要有干法和湿法两种。湿法工艺复杂，且用有机溶剂做稀释剂时成本高，故在工业化生产中很少使用。本文采用干法工艺，在干态下通过高速混合处理，达到表面包覆改性的目的，其工艺流程如图3所示。

图3 活性粉石英增韧处理工艺流程图

2.2 预热处理

破坏粉石英表面的水化层并使之变薄并提高表面能。

2.3 增韧条件的控制

对温度、时间和速度等条件进行控制，可以有效的提升增韧效果。

温度的高低对增韧效果有很大的影响，温度过低，粉石英表面的活化能低, 对增韧剂的吸附作用弱，温度过高，则可能是增韧剂失效(碳化所致)；增韧处理时间不宜过短，会使增韧剂不能充分与粉石英接触，导致吸附不均匀，影响增韧效果，时间越长，增韧剂与粉石英接触时间长，吸附能充分进行，增韧效果好。但是时间过长，影响产量，成本上升；速度是增韧剂处理的搅拌速度，目的是使粉体充分分散，更好地与增韧剂接触，所以提高速度有利分散，增韧效果好。

3 性能测试分析

3.1 外观

增韧粉石英外观感觉具"潮湿"性，手捏成团，分散性不好，这是因为粉石英的黏度较大且不具挥发性的油脂状液体增韧处理后产生的结果。

3.2 白度

测试仪器WSD-3型全自动白度计，兰光白度值F457。测试结果如表2所示。

表2 增韧粉石英白度测试结果表

由表2可以看出，经过增韧处理后，白度值有所下降，一般在1.97～9.01度之间，下降幅度为3.00%～13.73%。随着处理的温度升高，时间延长和速度提高，白度呈下降趋势，其中温度和时间的影响最明显。

3.3 黏度

测试仪器NDJ-1型旋转式黏度计，混合介质1:1，测试温度25℃，转子转速为12转∕分。测试结果如表3所示。

表3 增韧粉石英黏度测试结果表

黏度的大小直接影响到填料的使用性能。对环氧树脂混合体系来说，要求填料的黏度越低越好。由表3可以看出，经增韧处理的粉石英黏度有明显下降，下降幅度达23-50%，原因是粉石英经增韧处理后，表面覆盖了一层增韧剂，从而改善了与液体石蜡的相溶性，黏度随之下降。

3.4 浸润性

取一个直径大于3cm、高度大于1cm的敞开小容器，装入粉后用玻璃板或刮灰刀振实压平，形成平整面，然后再用吸管吸取浸润液，滴一小滴到粉平面上，同时开始计时，观察记录液滴完全渗透到粉中所需的时间。本试验选用的浸润液为液体石蜡和环氧树脂，液体石蜡的浸润试验是在常温下进行，环氧树脂的浸润试验是在100℃左右的环境中进行。测试结果如表4所示。

表4 增韧粉石英浸润性测试结果表

由表4可以看出，增韧后的粉石英相比原样对液体石蜡和环氧树脂的浸润所需的时间要短得多，说明了增韧粉石英对有机树脂的相溶性有显著的改善。

3.5 吸油量

参阅HG4-564-79、GH1712-79，用天平称取待测量样若干，放于洁净干燥的玻璃板上，用精度为0.1mL的滴管将油滴到粉体试样上，并不断搅拌，使粉料全部浸润，用玻璃棒滚压成一整体，玻璃板上不出现油迹和碎屑。增韧粉石英吸油率试验选用液体石蜡，测试结果如表5所示。

表5 增韧粉石英吸油率测试结果表 %

由表5可以看出，经增韧处理的粉石英的吸油率为20.04%～22.46%，比未增韧处理的粉石英的吸油率(25.87%)下降18%。随增韧处理温度和速度的升高吸油率下降，而随处理时间延长，吸油率呈上升趋势。吸油率与黏度、浸润性呈正相关关系。

4 结语

目前关于粉石英在环氧树脂材料中的应用研究并不是很多，本文通过新工艺对粉石英进行增韧改性，提高了粉石英填料具有良好的工艺性能，其与环氧树脂的混合物在固化过程中产生热应力和交联力明显减小。性能测试结果表明，改性粉石英填料与有机聚合物具有很好的相容性和亲合性，不仅改善了填料与树脂中的分散性和加工流动性，改性后的粉石英与树脂混合体系的黏度明显下降，而且提高填充制品的物理力学性能。明显降低了实际产品的生产成本。

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[6] 林金辉，张 帆，李金涛.几种偶联剂改性粉石英的改性效果比较研究[J].化工矿物与加工，2007，36(7):12-16.

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(本文文献格式：王抚抚,周佳玮,陈瑞娥.超细、活化粉石英/环氧树脂复合填料生产工艺研究[J].山东化工，2016，45(12)：9-11.)

Research on Manufacturing Process of Composite Fillers of Superfine and Activated Powder Quartz/Epoxy

Wang Fufu1， 2,Zhou Jiawei1 ，2,Chen Ruie3

(1.School of Chemistry，Biology and Materials Science,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2. Key Laboratory for Radioactive Geology and Exploration Technology，Fundamental Science for National Defense,Nanchang 330013,China;3.Jiangxi University of Finance and Economics,Nanchang 330013,China)

The powder quartz is an indispensable filling material in Epoxy-insulated encapsulation, but the mixture of powder quartz and epoxy will produce thermal stress and crosslinking in curing process and the products being prone to crack, so that it makes a great differences in working life. In the paper, the new technology of powder quartz to toughening treatment and the intent is stress relief in curing process and increases performance of anti-crack. Then performance analysis of powder quartz which toughened by experiment, including appearance, whiteness, viscosity, wettability, oil absorption. Finally, basic data was provided for further research and industrial production.

powder quartz; curing process; new technology; toughening treatment

2016-04-20

江西省教育厅科技项目，No: GJJ14468；江西省研究生创新专项基金，No:YC2015-S275；

王抚抚(1990—)，江西抚州人，在读硕士研究生，研究方向：材料学。

TQ330.38

A

1008-021X(2016)12-0009-03