超細硅微粉在塑料、橡膠及涂料中的應用- -
在塑料、橡膠、涂料等現代高分子材料中，非金屬礦物填料占有很重要的地位。在高聚物基料中添加非金屬礦物填料，不僅可以降低高分子材料的成本，重要的是能提高材料的性能尺寸穩定性，并賦予材料某些特殊的物理化學性能，如抗壓、抗沖擊、耐腐蝕、阻燃、緣性等。天然的石英石、石英砂和粉石英是重要的工業礦物原料，被廣泛用于玻璃、鑄造、建筑材料、陶瓷、化工、冶金、耐火材料、磨料、填料等域。由石英砂及其尾礦、粉石英等加工而成的硅微粉，作為塑料、橡膠、涂料等高分子材料的填料，在超細粉碎、提純、改性及其應用方面越來越受到人們的重視。近年來，隨著超細粉碎技術的不斷進步，超細、超純、改性非金屬礦物填料應用越來越廣泛。本文就硅微粉在塑料、橡膠、涂料中的應用與進展做一簡述。
  1、硅微粉的超細粉碎、提純和改性
  為了好地使非金屬礦物填料與高分子聚合物融合，必須對非金屬礦物進行粉碎、提純與改性。一般來說，填料的粒徑越小，分散越均勻，則制品的力學性能越好。就粉碎而言，石英砂和粉石英的超細加工可采用的設備有干P 濕球磨機、雷蒙磨、干P 濕攪拌磨、氣流磨、干P 濕振動磨等，傳統的球磨機存在能耗大、產品粒徑大、對產品污染大等缺點，但經過改良的球磨機和大型分級機配套已成功地應用于超細重質碳酸鈣的生產。雷蒙磨因其工作穩定，產量大，已被普遍應用于非金屬礦深加工，但用該設備加工的產品細度一般在300-400目之間，且產品的收集系統分離效果差，大量的細粉在系統內部循環而造成動力的浪費，對于600目以上的微粉，其除塵器的能力很差；氣流磨的細度調整靈活，但能耗指標較高，系統投資費用高；濕法攪拌磨產品細度小，但細度調整欠靈活；球磨機和振動磨加分級機系統，產品粒徑小、系統調整靈活，可形成大規模生產。
  對于硅微粉超細粉碎、提純和改性，國內已做了大量的研究工作。張曉鐘N# O 等對石英砂超細粉碎粒度控制進行了試驗，對利用振動磨加工超細石英粉進行了干濕工藝對比，認為入料給料量及其均勻性、入料粒度配比對超細石英砂產品的粒度分布及成品率影響；濕式磨礦工藝比干式效率高，但介質消耗大，因需烘干使總能耗升高；采用鋼性介質，干磨除鐵困難，濕式則有優越性；調節振動磨的介質激振力、介質配比、介質填充量等，可以改變產品粒形。
  郝保紅對粉石英的超細粉碎進行了研究，試驗表明，粉石英在干磨條件下的粉碎極限為1.28微米，在濕磨條件下粉碎極限為1.01微米 。
  李化建 等對用石英制備高純超細硅微粉進行了工藝研究，采用振動磨加分級機系統，配合提純工藝，生產出了滿足電子電工級和涂料行業要求的硅微粉。
  為了滿足制品的要求，超細后的硅微粉還要進行提純，尤其是用于電子塑封料中的硅微粉，對雜質要求較為嚴格，必須經過提純才能達到要求。
  在提純方面，孫成林等對利用硅石提純生產高純石英砂及硅微粉進行了探討，對高純石英砂及硅微粉的生產提出了很好的建議。
  湯亞飛對二氧化硅粉末浮選除鐵進行了研究，實驗表明，微細石英粉也可通過浮選進行提純，采用六偏磷酸鈉作分散劑和浮選調整劑，十二胺作捕收劑，可從石英微細粉中除去鐵雜質,Fe2O3含量由0.09%下降到0.02%，產率達85%。充填式浮選柱操作簡單，單柱一次浮選即可獲得理想指標，適用于微細粉浮選。
  由于非金屬礦物填料與高分子聚合物基質的界面不同，相容性差，在基料中難以均勻分散，直接填充往往容易造成材料的某些力學性能下降，對于功能性無機非金屬礦物填料，除了粒度及粒度分布的要求外，還要與高分子聚合物的基料相容性好，填充后除降低成本外，還能增強材料的力學性能，提高材料的綜合性能和可加工性，因此必須對非金屬礦物填料進行表面改性。
  硅微粉表面改性主要使用硅烷偶聯劑，其通式為R—SiX3， R為有機疏水基，如乙烯基、環氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基， X為能水解的烷氧基，如甲氧基、乙氧基及氯等。當用于硅微粉表面處理時，硅烷偶聯劑分子中的X部分首先分解形成反應性活潑的多羥基硅醇，然后與石英表面的羥基縮合而牢固結合，偶聯劑的另一端，即有機疏水基R與聚合物高分子長鏈纏結，合為一體，從而改善了硅微粉與高分子材料間的相容性。影響改性效果的主要因素有硅烷品種、用量及用法、處理時間、溫度、PH值等。
  余志偉對粉石英表面改性進行了研究，實驗證明，經過硅烷改性的粉石英在環氧樹脂混合體系中粘度明顯降低，不僅改善填料與聚合物混合體系的加工工藝性能，獲得均勻混合料，而且可以增加填充量，降低生產成本，對于環氧樹脂緣封裝電器產品來說，顯著提高電器產品的熱電機械性能。通過測定改性粉石英對水滴的浸潤角、滲透時間和浸潤點與未改性粉石英對比，顯示了改性粉石英與有機聚合物有較好的相容性和親合性。
  2、硅微粉在塑料中的應用
  硅微粉在塑料中可用于聚氯乙烯（PVC）地板、聚乙烯和聚丙烯薄膜、電緣材料等產品中。
  填充硅微粉的聚氯乙烯地板磚可增強制品的耐磨性，在PVC地板中，細度為320目的石英粉，填充量為160-180份時制得的地板完全符合GB4086-83標準的要求，地板表面光滑度好，耐刻劃度好。
  在PVC耐酸板管中，400目石英粉的填充量為10%-15%時，與其它填充料比，粘度低，流動性好，改善了加工性能，有利于制品的擠出和成型，制得的耐酸板管的耐酸性有顯著提高。
  比表面積大7 (600目以上)和活性高的硅微粉填充聚乙烯（PE）農用薄膜能改善制品的物理化學性能和光學性能，填充聚丙烯可改善制品的力學性能。余志偉對粉石英在PE薄膜中的應用進行了研究，將粉石英礦經過超細、分級、提純、表面改性后填充于PE薄膜中，利用石英具有阻隔紅外線的功能，減緩塑料大棚的熱散失，提高其保溫性能。通過研究，當超細粉石英在PE薄膜中添加8%-12—時，其加工性能良好，填料在樹脂中分散流動性好，分布均勻，制得的PE薄膜力學性能接近純樹脂膜，超過國標要求。
  在環氧模塑封料中，高純硅微粉是其主要原料，由于SiO2具有穩定的物理化學性能、良好的透光性及線膨脹性能和優良的高溫性能，因此SiO2是目前理想的環氧塑封料的填充材料，也是半導體集成電路理想的基板材料。隨著微電子工業的迅速發展，我國
電子塑封行業也得到迅速發展，國內已有7家外國獨資企業、16家中外合資企業、36家國營企業及上百家中小企業建立了封裝生產線，環氧塑封料年用量上萬噸，填充料二氧化硅粉含量占70%-90%，因此僅塑封行業，硅微粉的用量就達7000-9000T/年。另外，硅微粉用作電子基板材料是其它材料無法替代的，這一域的前景比塑封行業廣闊。
  在用于緣材料方面，王學東’在環氧模塑料中用硅微粉作填料，研制出了具有優異電性能、耐高壓、耐電弧性能優、表面電阻率高、耐候性好的SIEC特種耐高壓環氧模塑料，該塑料是高壓緣子、高壓開關的首選材料。
  環氧膜塑料的制備中，硅微粉的用量占模塑料的50%-70%，該塑料是封裝閥用電磁鐵等低壓電器良好的新型封裝材料。
  3、硅微粉在橡膠中的應用
  為了提高橡膠制品的物理機械性能，延長橡膠制品的使用壽命，一般采用兩條途徑：一種是在橡膠制品中埋入骨架材料，如纖維紡織材料或金屬材料；另一種是在橡膠中添加各種填料。
  硅微粉作為橡膠補強材料有以下幾種形式：
  （1）粉石英。主要以天然硅藻土為原料，經粉碎、高溫煅燒、除去有機雜質而成，用于橡膠中能使像膠堅挺，并可降低膠料密度，增加熱性能，適用于制造緣膠料、模型制品和泡沫制品，用于硬質橡膠可提高軟化溫度。
  （2）硅土粉。二氧化硅含量75%79%，天然礦物經開采、烘干、粉碎、篩分而成，可用于膠管、膠帶和其它橡膠制品，填充膠料混練容易，分散性好，可高用量填充，其壓延制品表面光滑，其硫化膠強伸性能近于陶土，和輕鈣相當；粘附強度和扯斷永久變形優于陶土，耐磨性和彈性優于陶土和輕鈣；老化性能好，價格低于陶土和輕鈣。
  （3）石英粉。石英粉有無定形、微晶狀等不同類型，由天然礦物粉碎加工而成。
  具體應用方面，在蓄電池膠殼中，加入粉石英替代陶土和輕質碳酸鈣，填充量由原來的55%增加到65%，而且工藝性能優良，膠料吃粉快，無噴粉和飛揚現象，易混練，硫化性能好，制得蓄電池膠殼的耐酸、耐電壓、熱變形和落球沖擊等物理機械性能均可達到要求，且膠殼外表平整光滑，成品率提高.。
  在擦貼橡膠制品中，填充粉石英的混練膠，膠料稀，滲透性好，粘連性強，有利于混練膠在帆布上的擦涂，增強了膠片與帆布之間的粘著強度，制品的扯斷強度、永久變形等機械性能均有明顯改善。
  許美在電器緣密封膠片中，以丁基橡膠為基料，加入硅微粉，制得的膠片具有緣強度高、防水、耐熱、耐寒、抗化學腐蝕、抗老化、可塑性好、緣性好等特點，適用于0.4-10Kv 的電線母排及各類電器裸露接頭的緣密封。
  4、在涂料行業中的應用
  在涂料行業中，硅微粉的粒度、白度、硬度、懸浮性、分散性、吸油率低、電阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蝕性、耐磨性、緣性、耐高溫性能。用于涂料中硅微粉，由于具有良好的穩定性，一直在涂料填料中扮演重要的角色。特別對外墻涂料來說，SiO2原料對耐候性起著舉足輕重的作用。隨著建筑市場的日益繁榮，涂料工業也得到了迅速發展， 2000年我國涂料產量達183.94萬t7 ，比1999年增長了7.42%，建筑涂料產量達56.32萬t，增長了9.95%。因此，硅微粉的用量也隨之增長，同時對硅微粉的超細、改性提出了高的要求。白文奎.’在超級外墻雨刷漆中加入硅微粉，用于外墻裝飾效果好，耐沖刷，成本低。同時納米級SiO2的研究與應用越來越受到人們的重視，如浙江明日納米工程研究中心進行了納米SiO2在涂料中提高耐老化性能的應用。
  在特種涂料中的應用方面，楊華明.’"/等用1250目硅微粉，應用化學共沉淀技術表面包覆摻雜SnO2制得復合導電粉，廣泛用于電子電器、航空航天、軍事和電磁屏蔽等域。用該導電粉末制得的導電涂料，體積電阻率僅為12.6歐姆，各項指標均達到標準。
  韓永海在阻燃緣涂料中通過加入硅微粉，提高了涂料的觸變性能，該涂料具有涂敷均勻、不會出現裂紋而且具有固化時間短、成本低的特點。
  馮曉榮在道路標識涂料中利用廢舊塑料為原料，加入硅微粉、石英砂、玻璃微珠等填料，生產成本低，因其流動性及流平性較高，施工成本低。
  劉友在無毒環氧增韌涂料中，在環氧樹脂中加入硅微粉，研制出了具有防腐功能的無毒環氧增韌涂料，克服了已有涂料在低溫下刷涂和噴涂的缺陷和不足。
  隨著塑料、橡膠、涂料工業的不斷發展，硅微粉等非金屬礦物填料不僅要在超細、提純、改性技術等方面進行不斷的研究，重要的是要進行超細粉體在這些高分子聚合物中的應用研究，從而推動整個工業技術的進步。