硅微粉的生产、表面改性及其在涂料中的应用！

文章来源：https://www.hayond.cn 发布时间：2019-12-04 浏览次数：108

硅微粉是以天然石英矿、熔融石英等为原料,经研磨、精密分级、除杂等多道工艺加工而成的二氧化硅粉体材料,广泛应用于电子封装、油漆涂料、化妆品等领域。

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硅微粉生产技术

按颗粒形态,目前市场上的硅微粉产品主要有角形硅微粉、准球形硅微粉和球形硅微粉。

(1)角形硅微粉的生产

角形硅微粉的外形无规则多呈棱角状的硅微粉,其生产原料以脉石英、石英岩和熔融石英为主,又可分为角形结晶硅微粉和角形熔融硅微粉。

角形硅微粉主要生产设备有球磨机、振动磨、微粉分级机和烘干机等,生产工艺有干法研磨和湿法研磨两种。磨介以氧化铝陶瓷球或硅石为主,磨机内衬为高强度耐磨材料,如氧化铝陶瓷、硅石或聚氨酯橡胶。

(2)球形硅微粉的生产

球形硅微粉,是指颗粒个体呈球形,主要成分为二氧化硅的无定形石英粉体材料,其生产原料主要是角形硅微粉,生产方法主要有火焰熔融法、等离子加热炉法、化学合成法、水解法等。

目前,国内主要利用火焰熔融法来生产球形硅微粉。该技术的关键是加热装置要求有稳定的温度场、易于调节温度范围以及不要对硅微粉造成二次污染。

高频等离子体熔融法生产球形硅微粉的原理与工艺与火焰熔融法类似,主要是将高温热源变为等离子体发生器,其温度范围适中、控制平稳、产量高,可达到较高球化率,因而是一种较合适的生产方法。

水解法是把液体SiCl4以恒定的速度加入到添加了不同分散剂的去离子水中,并同时用石英棒高速搅拌水解产物,将得到的水解产物经陈化、洗涤、过滤后,在100℃-200℃的恒温箱中进行干燥脱水至恒重后,转移至高温烧结炉中,在不同温度下进行高温烧结脱羟和晶形转换,经粉磨、筛分后即得到所需粒径的高纯球形硅微粉。

整体来看,国内大部分企业生产规模不大、品种不多,在工艺过程中缺乏系统的控制手段,致使硅微粉产品的纯度、粒度以及产品质量稳定性与国外产品比较还存在一定的差距。

在这些企业中真正能够生产球形硅微粉的不多,其主打产品集中在1000目以下,多数以角形石英粉产品为主,主要应用领域多为冶金、陶瓷、橡胶用填料、耐火材料、建材、化妆品等。

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硅微粉表面改性

为改善硅微粉与有机高分子材料界面结合的问题,提高其应用性能,一般需要对硅微粉进行表面改性。

硅烷偶联剂是硅微粉表面改性最常用的改性剂,可将硅微粉亲水性转变为亲有机性表面,还可提高有机高分子材料对其粉体的润湿性,并通过官能团使硅微粉与有机高分子材料实现牢固的共价键界面结合。

但是,硅烷偶联剂的应用效果与选用的种类、用量、水解情况、基材特性、有机高分子材料的应用场合、方法及条件等有关。所以要使用好硅烷偶联剂,就要对其结构、性质及与硅微粉作用的机理等进行认真的研究,这样才能正确的选择和使用好硅烷偶联剂,设计和制造出工艺合理的表改性设备。

(1)如何确定硅烷偶联剂的用量

硅烷偶联剂的用量是根据粉体的比表面积所占的反活性点(如Si-OH)的数量以及硅烷偶联剂覆盖表面的单分子层、多分子层的厚度等决定的。

一般硅微粉类矿物粉体的Si-OH含量为4-12个μm2,1mol的硅烷偶联剂可以覆盖约7500m2的粉体表面积。由于硅烷偶联剂水解后,其自身也产生缩合反应,要影响到计算用量的准确性,所以要增加一定的加入量。

硅烷偶联剂用量(g)=粉体质量(g)×粉体表面积(m2/g)/硅烷偶联剂的覆盖面积(m2/g)

(2)如何选择表面改性工艺?

根据所选用的硅烷偶联剂与硅微粉反应的机理进行确定:

一是首先要将硅微粉进行动态加热到100-110℃,此时以雾化法加入水解后的硅烷偶联剂或复合偶联剂。

二是在硅烷偶联剂与反应过程中应保持一定的反应时间,因不同的反应时间其改性的效果是不同的。这一加热反应过程是脱水、缩合与固化,以使硅烷偶联剂与硅微粉形成稳定和牢固的共价键结合。

三是经偶联剂改性的粉体,都会产生假结颗粒和缩合后产生的硬颗粒,给产品质量带来了很大的影响,所以一定要进行有效分级,只有这样才能保证产品的质量。

(3)如何选择表面改性设备?

硅微粉表面改性设备的选择,应根据其表面改性机理所确定的加工工艺为基准,选择和配套无污染的表面改性设备。目前前国内的表面改性设备比较多,但是有些表面改性设备没有遵循硅微粉表面改性的机理及工艺要求等制造的,造成表面改性的效果不好,因此要对购置的改性设备进行改造和配套后才能达到较好的效果。

表面改性设备的选择是硅微粉表面改性至关重要的一个环节,在选择表面改性设备时应考虑满足以下几点要求:

一是表面改性设备能将硅微粉在动态状况下加热并保温,保温时间能够自动控制。

二是要有排气装置,可将表面改性前后脱除的水以蒸气的方式排出,使硅烷偶联剂与粉体产生缩合反应,达到形成共价键的效果。

三是保证硅微粉在表面改性机中处在高速动态的状况下。

四是表面改性设备应满足表面改性剂分加的要求。

五是为解决表面改性中产生的假团聚和硬团聚体,一定要进行有效的分级,应有专用的分级设备进行配套。

目前,国产的活性硅微粉产品因其只用硅偶联剂简单的混合处理,效果不够理想,粉体与树脂混合时很容易团聚,而国外有许多专利提出了对硅微粉的活性处理,例如德国专利提出用聚硅烷和硅微粉混合,并在紫外线照射下搅拌,获得活性硅微粉;日本专家提出硅烷二醇衍生物处理硅微粉,并在混合过程中加入催化剂,使偶联剂对粉体的包裹均匀,从而能使环氧树脂能与硅微粉达到理想的结合效果。

因此,我国硅微粉生产厂家在表面改性的道路上任重道远,不仅需要上游偶联剂厂家的密切配合,更需要下游应用厂家的通力合作。只要解决改性的技术难题,活性硅微粉的市场将非常值得期待。

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硅微粉在涂料中的应用

在涂料行业中,硅微粉具有白度高、硬度大、导热系数低、耐高温、绝缘和化学性能稳定等特点,可有效改善涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐高温等性能,特别是对于外墙涂料来说,硅微粉对其耐候性起着举足轻重的作用。

而球形硅微粉具有极强的紫外吸收和红外反射特性,可增加涂料的抗紫外老化和热老化性能;添加到紫外光固化涂料中,可明显地提高涂料的硬度和附着力,减弱其吸收UV辐射的程度,从而降低了紫外光固化涂料的固化速度。

球形硅微粉拥有庞大的比表面积,表现出极大的活性,很好的流动与润滑性,能在涂料干燥时形成网状结构。同时增加涂料的强度和光洁度,提高颜料的悬浮性,保持涂料的颜色长期不变。

乳胶涂料:汪鹏主等以改性硅微粉和钛白粉进行复配,当硅微粉:钛白粉=1:3时,复合粉体具有良好的分散性能,将其用于乳胶涂料中,所得产品稳定性良好,力学性能优异,且加入改性硅微粉的涂料成膜后,硅微粉主要富集在涂膜的表层,提高了涂膜的硬度和耐污性。

粉末涂料:杜中燕等通过添加硅微粉部分替代钛白粉,当两者配比1:1时,粉末涂料的涂膜综合性能最好,铅笔硬度为4H,耐冲击力高于50kg·cm,光泽度75%,白度82%。

高温耐磨涂料:张栋栋等以硅烷偶联剂KH560改性硅微粉,提升了环氧树脂的相容性,在涂层中分散性良好,可获得耐磨、耐热性能良好的硅微粉/环氧树脂高温耐磨涂料。

近年来,随着各种特殊功能性涂料的开发应用,硅微粉由于具备耐温、耐候、耐磨、耐腐蚀等诸多优异的性能,越来越受到涂料用户的重视。

值得注意的是,虽然我国的球形硅微粉产品在物理、化学指标上已经能与国外产品相媲美,但在生产自动化、在线检测手段和产品质量稳定的控制上,还有很长的路要走。

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