滑石粉的應用特性及表面改性

摘要：滑石粉是一種重要的無(wú)機填料，文章綜述了滑石粉在涂料、塑料、造紙等行業(yè)的應用特性，并針對滑石粉應用中存在的缺點(diǎn)，總結了滑石粉的主要表面改性方法，最后對滑石粉的應用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：滑石粉；涂料；應用；改性

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滑石粉是一種白色柔軟的疏水性物質(zhì)，屬天然的單斜晶系水合硅酸鹽，由31.7%的氧化鎂，63.5%的二氧化硅，4.8%的水組成，分子式為3Mg0.4Si02.H20?；弁ǔＲ灾旅艿膲K狀、葉片狀、放射狀、纖維狀集合體形式存在，外觀(guān)呈無(wú)色透明或白色，但因含少量的雜質(zhì)而呈現淺綠、淺黃、淺棕甚至淺紅色。由于其具有潤滑性、抗黏、遮蓋力良好、柔軟、光澤好、耐高溫等優(yōu)良的物理、化學(xué)特性，滑石粉在化妝品、醫藥、造紙、涂料等行業(yè)得到了廣泛的應用。目前我國滑石粉年產(chǎn)量在245萬(wàn)噸左右，主要產(chǎn)自遼、魯、桂等省區?？傮w來(lái)說(shuō)，我國低檔滑石仍處于供大于求的局面，但高檔白滑石原料的生產(chǎn)能力卻遠遠小于國內外市場(chǎng)的需求，因而高檔滑石供應將長(cháng)期缺口。因此，擴大中低檔產(chǎn)品的深加工，開(kāi)發(fā)高附加值的產(chǎn)品，將是我國滑石業(yè)今后重點(diǎn)需要解決的課題。本文綜述了滑石粉的應用特性及改性進(jìn)展，并對滑石粉應用前景作了進(jìn)一步展望。

1滑石粉的應用特性

1.1滑石粉在涂料中的應用

滑石粉具有良好的懸浮性和易分散性，且腐蝕性低，在涂料中，滑石粉作為填料可起到骨架作用，降低制造成本的同時(shí)提高涂料的漆膜硬度。還具有提高產(chǎn)品形狀的穩定性，增加張力強度、剪切強度、壓力強度，降低變形、伸張率、熱膨脹系數，白度高、粒度均勻分散性強等特點(diǎn)。片狀粒子結構的滑石粉可使涂膜具有很高的耐水性和瓷漆不滲性，纖維狀粒子結構的滑石粉，可使涂料的流變性及流平性得到很好的改善’同時(shí)可提局涂料的耐候性。

滑石粉主要應用于底漆和中間涂料，許多制品和閃烘底漆和運輸工具用漆優(yōu)先選用滑石粉。鋼材結構用底漆可全部或部分用滑石粉，以改進(jìn)涂料的沉淀性、涂膜的機械力以及再涂覆性。唐植賢等[1]針對超細滑石粉一些固有的理化特性，闡述了超細滑石粉在溶劑型木器涂料、水性涂料等不同涂料中的應用及其賦予涂膜的特性。實(shí)驗發(fā)現，滑石粉在一定場(chǎng)合下有特殊功效，特別是在一些難附著(zhù)的底材，如拋光錯件、不繡鋼等光滑、難附著(zhù)的表面，能提高涂料的附著(zhù)力和耐溶劑性；超細滑石粉用于水性乳膠涂料中，能賦予涂料良好的涂刷性、流平性、保光性，所得涂層具有良好的抗沖擊性和柔初性，同時(shí)還能有效提高涂層的耐蝕性和干性[2];在涂膜性能方面，滑石粉可以提高涂料的填充性和防止涂膜產(chǎn)生裂紋，由于滑石粉硬度低的特性，有助于提高漆膜的打磨性。羅發(fā)等[3]以滑石粉為主要填料，以環(huán)氧改性有機桂樹(shù)脂為基料，制備了環(huán)氧有機硅耐高溫涂層，并探索研宄了滑石粉的質(zhì)量分數對有機硅涂料耐急熱性能、附著(zhù)力以及沖擊強度的影響，討論了影響機理。結果表明：隨著(zhù)滑石粉質(zhì)量分數的增加，涂層的耐高溫性能和力學(xué)性能都是先增強后減弱，以35%為最佳；涂層能夠經(jīng)受600、700和800°C的急熱沖擊；室溫沖擊強度為5J; 600°C高溫處理后附著(zhù)力由室溫的9MPa增大至32.8MPa。這是由于滑石粉會(huì )與環(huán)氧有機硅樹(shù)脂官能團發(fā)生化學(xué)反應，形成具有一定粘接力和防護力的硅氧鍵[4,5]，使涂層能繼續承擔一定的熱負荷，并使高溫附著(zhù)力升高。

我國是聚氨酯（PU)革生產(chǎn)大國，隨著(zhù)生活水平的提高，人們對PU革性能的要求也越來(lái)越高，其中采用無(wú)機粒子增強技術(shù)是改善力學(xué)性能的有效方法之一[6’7]。陽(yáng)建軍等[8】選用滑石粉作為聚氨酯（PU)的增強填充粒子，通過(guò)SEM、FTIR和電子強力等分析研宂了填充材料的形態(tài)結構和力學(xué)性能。研宄表明：滑石粉中的-〇H可與PU中的-NCO發(fā)生化學(xué)反應；PU膜的拉伸強度在滑石粉添加量為2%時(shí)達到峰值，而拉伸模量隨粒子添加量的增加先增加后下降。這是由于滑石粉具有特殊的層狀結構和較大的徑厚比，將其加入到聚氨酯中，含量較少時(shí)，可有效阻止應力作用下PU裂紋的擴展，起到應力集中點(diǎn)的作用，使拉伸強度提高，但隨含量增加，粒子在基體中分散性差而產(chǎn)生團聚現象，使材料的拉伸強度降低。陳亞?wèn)|等[9]研究了改性超細滑石粉對聚氨酯彈性體性能的影響。結果表明：采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性后的滑石粉能顯著(zhù)增加彈性體材料的耐油性和耐水性，減小制品成型收縮率及吸水率，提高尺寸穩定性等，使聚氨酯彈性體的綜合性能明顯得到改善。張新岐等[10]考察了不同細度的滑石粉對硅酸鹽涂料成膜性的影響。研究表明：涂料的活性隨超細滑石粉細度的增加而增加，滑石粉越細，單位體積內暴露在外的活性氧及與活性氧處于同一水平層中的OH-也越來(lái)越多，在玻璃成膜的過(guò)程中，很可能是Si-0四面體的活性氧和OH-參與成膜，使得鉀水玻璃的成膜性得以很大的提高，由于滑石粉參與成膜，使得涂層的整體性
能得以改善，附著(zhù)力、耐熱性增強，成膜溫度降低，涂膜致密性增加等。

1.2滑石粉在塑料中的應用

無(wú)機填料在塑料改性中起到重要作用，成為不可缺少的改性助劑。白色的薄片結構的滑石粉在塑料中是一種有效的增強材料，無(wú)論常溫和高溫下，都可賦予塑料較高的剛性和抗蠕變性和較好的固體光澤?；鄣募尤肟筛淖兯芰系亩喾N性能，如成型收縮率、表面硬度、彎曲模量、拉伸強度、沖擊強度、熱變型溫度、成型工藝及產(chǎn)品尺寸穩定性等。在聚乙烯和聚丙烯塑料中加入滑石粉可有效的改善制品的表面硬度和表面抗劃痕性[11]。眾所周知滑石粉的價(jià)格是塑料的10%?20%，所以將滑石粉應用到塑料中不僅提高性能，還可有效的降低材料的成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

楊慶泉等[12]考察了滑石粉對聚酰胺66/聚對苯二甲酸乙二醇醋（PA66/PET)金微觀(guān)相形態(tài)、力學(xué)性能、耐熱性能及結晶行為等方面的影響及其作用機制。結果表明；在適當的條件下，添加5%?10%的滑石粉，PA66/PET合金的拉伸強度、彎曲強度、剛性等力學(xué)性能和耐熱性能將得到顯著(zhù)的改善，這可能與其片層對PA66基體及其對PA66/PET之間微觀(guān)相界面的增強作用有關(guān)；PET分散相粒子的平均粒徑及其粒徑分布減小，改善了共混體系的混溶性。但如果滑石粉加入量過(guò)大，材料性能會(huì )因為滑石粉的團聚而大大降低。塑料中聚丙烯樹(shù)脂（PP)是滑石粉應用的主要對象。楊華明[13]用濕法加工制得了超細滑石粉，通過(guò)表面改性，將活性滑石粉用于填充PP塑料，可明顯改善材料的剛性和耐熱性能，材料性能達到國內外汽車(chē)用PP材料的質(zhì)量標準。陳振耀等[14]將滑石粉填充到聚丙烯體系中，采用鈦酸酯偶聯(lián)劑等對滑石粉進(jìn)行偶聯(lián)處理并用氯化石蠟進(jìn)行表面處理，系統地討論了不同配比的填充體系的性能，試驗結果表明，改性滑石粉能增加流動(dòng)性能，改善成型性。加入適量滑石粉可以得到流動(dòng)性好，尺寸穩定，拉伸強度高等性能良好的滑石粉填充聚丙烯，擴大了其應用范圍。

VelasC(^[15]將不同量的滑石粉（(MOwt%)填充到聚丙烯（PP)中，研宄了不同滑石粉添加量對聚丙烯結晶行為的影響，為了提高滑石粉與聚丙烯之間的相容性，用硅烷偶聯(lián)劑對滑石粉進(jìn)行了改性。結果表明：滑石粉的加入量和表面改性對PP材料的結晶行為具有顯著(zhù)地影響。結晶溫度隨著(zhù)滑石粉加入量增加而增加；熔融溫度卻幾乎不受這些因素的影響；滑石粉在PP中的成核活性隨著(zhù)改性中硅烷偶聯(lián)劑量的增加而增強；少量未改性或改性后的滑石粉對PP初始結晶穩定性不會(huì )產(chǎn)生影響。徐云升等[16]從改善聚丙烯的強度和初性出發(fā)，使改性后的聚丙烯在某些使用領(lǐng)域代替ABS工程塑料。研宄方法是將聚丙烯同偶聯(lián)劑處理的滑石粉以及橡膠進(jìn)行共混。通過(guò)對共混物進(jìn)行多方面的功能測試，結果表明，用滑石粉填充聚丙烯，滑石粉含量低于20%時(shí),其二元共混材料的拉伸強度高于純PP拉伸強度，填充量在5%時(shí)強度最高；試驗采用的偶聯(lián)劑對共混體系的流動(dòng)性有顯著(zhù)的改善作用；當PP:滑石粉：EPT的重量比為70: 20: 10時(shí)，共混物的性能最佳，可與通用ABS相比。

1.3滑石粉在造紙中的應用

滑石粉具有層狀結構、柔軟性、疏水性等獨特的性質(zhì)，它應用到造紙行業(yè)中有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)[17_19]:

（1）有助于提高填料留著(zhù)率和改善紙張不透明度、平滑度和印刷適性，賦予紙張較高的吸墨性；

（2）化學(xué)性質(zhì)穩定，不但適于在酸性條件下抄紙，也可與碳酸鈣配合使用在中性條件下抄紙；

（3）它表面具有疏水性（親油性），有機物容易吸附到它的層狀表面上，滑石粉的加入，減少了染料的消耗，有效地節約成本，另外親油性使其可用作樹(shù)脂、膠黏劑抑制劑和廢紙脫墨劑；

（4）可以與施膠劑結合良好而改善施膠劑留著(zhù)，并能減輕紙頁(yè)的吸收性，防止印刷油墨滲透紙頁(yè)；

（5）滑石粉具有較低的摩擦因數，它可使涂層表面平滑柔順，可減少涂層的斷裂，降低印刷壓力等；

（6）作為高形態(tài)比的涂布顏料，滑石粉具有卓越的纖維覆蓋能力及很好的印刷效果，也可改善凹版印刷質(zhì)量；

（7）滑石粉具有特殊的潤滑性，由其制成的涂布紙在壓光機上可獲得高整飾度,并可減少涂料中潤滑劑的使用量。

楊德清等[20]利用超細滑石粉對疏水性有機物的吸附作用，用AKD對滑石粉進(jìn)行疏水改性用于紙張施膠，并確定最佳工藝。結果表明，在相同的加填量下，AKD與滑石粉質(zhì)量比越高，紙張的施膠度越高，且AKD吸附于滑石粉上，并未降低AKD的施膠效果，紙張抗張強度卻明顯提高。當溫度為60°C，攪拌速度8000r/min,攪拌時(shí)間5min, pH為6時(shí)，AKD對滑石粉改性的條件最佳。袁成強等P1]用鄰苯二甲酸酐、尿素對滑石粉進(jìn)行化學(xué)改性后，用作紙張內部施膠劑。由于滑石粉具有化學(xué)惰性，對其進(jìn)行這種改性可以改變天然滑石粉的特性，并對經(jīng)過(guò)內部施膠的手抄片進(jìn)行機械性能和光學(xué)性能的研宄。結果顯示，改性后的滑石粉形成了兩性聚合物，作為紙張的內部施膠劑時(shí)，比添加天然滑石粉的紙張具有更高的物理性能和更高的施膠性能。松香膠和滑石粉的添加使手抄片的裂斷長(cháng)降低，從而改善手抄片的機械性能和光學(xué)性能。孫麗紅等[22]用不同淀粉對滑石粉表面進(jìn)行活化處理，研宄滑石粉加填新聞紙的力學(xué)性能和光學(xué)性能，并對加填紙張進(jìn)行電鏡掃描，探討了活化滑石粉加填新聞紙的增強機理。結果顯示：與未改性和傳統改性滑石粉加填相比，淀粉凝膠活化滑石粉加填能顯著(zhù)提高紙張的抗張強度和撕裂度；增加滑石粉添加量，可提高紙張的白度和不透明度；不同淀粉凝膠活化滑石粉加填紙張的物理強度和光學(xué)性能無(wú)明顯差別，但原生淀粉價(jià)格較低，具有較好的應用前景。

1.4滑石粉在其他行業(yè)的應用

滑石粉由于其手感細膩、價(jià)格便宜常被用作潤滑輔料添加到爽身粉、美容粉等化妝品中。另外它是是藥物制劑的常用輔料，大量地用于糖衣片的包衣和外用撲粉，在化妝品、醫藥食品等方面也有著(zhù)廣泛的應用?；郾旧聿o(wú)害，在生產(chǎn)過(guò)程中，其純度主要依賴(lài)于礦源質(zhì)量，而滑石粉礦時(shí)常會(huì )有不定量的石棉伴生礦，石棉被認為是強致癌物質(zhì)，因此滑石粉在、化妝品、制藥等行業(yè)中應用時(shí)，石棉的檢測是非常重要的。

2滑石粉的表面改性

2.1滑石粉改性的必要性

滑石粉在各個(gè)行業(yè)中有著(zhù)廣泛的應用，它作為一種無(wú)機填料可以改善制品的剛性、強度、硬度、潤滑性等。隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展和需要，對滑石粉的性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是超細滑石粉，在國內外市場(chǎng)上需求量很大。與其他非金屬礦物粉體材料一樣，滑石粉的表面有機化處理是必要的。這是由于滑石粉表面含有親水基團而具有較高的表面能，它作為無(wú)機填料與有機高聚物分子材料之間在化學(xué)結構和物理形態(tài)上有著(zhù)很大的差異，缺少親和性，需對滑石粉粒子進(jìn)行表面處理以改善滑石粉與聚合物二者之間的界面結合力，提高滑石粉粒子與聚合物的均勻分散性及相容性[9,23]。另外，超細滑石粉應用到涂料中，由于其表面積大，需要的潤濕分散體就越多，不容易分散，進(jìn)而影響涂料的性能，現在一些乳膠漆里面吸油高的滑石粉，很多廠(chǎng)家都沒(méi)有或者只進(jìn)行簡(jiǎn)單表面處理，所以大大限制了它的應用?；鄹男缘臋C理是利用某些帶有兩性基團的小分子或高分子化合物對進(jìn)行復合的物質(zhì)中的一種或兩種進(jìn)行表面改性，使其表面由憎水變?yōu)橛H水，目的是使兩種物質(zhì)更好地結合。

2.2滑石粉的改性方法

2.2.1表面覆蓋改性法

表面覆蓋改性法是將表面活性劑或偶聯(lián)劑覆蓋于粒子表面，使表面活性劑或偶聯(lián)劑以吸附或化學(xué)鍵的方式與粒子表面結合，使粒子表面由親水變?yōu)槭杷?，賦予粒子新的性質(zhì)，使粒子與聚合物的相容性得以改善。該方法是目前最普遍采用的方法。大致可理解為：針對滑石粉與聚合物親和力不高的缺點(diǎn)，將帶有兩性基團的表面活性劑覆蓋粒子上，親水基團朝向粒子表面，親油基團朝向外面，這樣與聚合物結合時(shí)就有好的相容性，達到改性目的，擴大滑石粉的應用范圍。

Liu等[24]以改善滑石粉分散性和與聚丙烯之間的親和力為目的，用一系列磷酸酯偶聯(lián)劑對滑石粉進(jìn)行表面處理，并研究了偶聯(lián)劑和材料結構機械性能的關(guān)系，旨在增強復合材料的機械性能。

通過(guò)近紅外漫發(fā)射光譜分析得出，當滑石粉表面覆蓋了6%左右的磷酸酯時(shí)達到飽和；隨著(zhù)磷酸酯加入量的增加，復合材料的結晶程度呈現先增加到減小的趨勢；改性后的滑石粉分散性得到明顯改善；當磷酸酯為0.5%時(shí)，復合材料的抗張強度顯著(zhù)增強，彎曲模量卻明顯下降。Ramos等[25]用硅烷偶聯(lián)劑對滑石粉進(jìn)行改性，填充到低密度聚乙烯和聚丙烯混合基體中，實(shí)現復合材料性能的最優(yōu)化。結果表明，加入硅烷偶聯(lián)劑改性的滑石粉能顯著(zhù)提高基體的機械性能；隨著(zhù)滑石粉量和聚丙烯量的增加，材料的彎曲性能提高；當基體中聚丙烯含量為50%時(shí)，抗張強度基本不受填料含量的影響。

2.2.2機械化學(xué)法

此法是通過(guò)粉碎、摩擦等方法將比較大的粒子變得較小，使粒子的表面活性變大，即增強其表面吸附能力，簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)還可以降低成本，同時(shí)更易控制產(chǎn)品的質(zhì)量。超細粉碎是物料深加工的重要手段，其主要目的是為現代工業(yè)提供高性能的粉體產(chǎn)品。此過(guò)程不是簡(jiǎn)單的物料粒度減小，它包含了許多復雜的粉體物質(zhì)性質(zhì)和結構的變化-機械化學(xué)變化。

楊華明等[26]研宄了滑石粉超細粉碎過(guò)程中物理化學(xué)性質(zhì)的變化，討論了物理化學(xué)性質(zhì)變化的相關(guān)機理。研宄表明：滑石粉經(jīng)攪拌磨超細粉碎后，表面活性增強，熱效應改善，白度提高，粉體性質(zhì)變化與超細粉碎過(guò)程的熱力學(xué)特性密切相關(guān)。葉菁等[27]采用異丙基鈦酸酯（NDZ-201)對滑石進(jìn)行改性氣流粉碎，通過(guò)濁度、水滲透性、接觸角的測試及紅外光譜分析，改性氣流粉碎不僅對滑石的改性粉碎作用明顯，還可平衡顆粒表面的不飽和成鍵力，使粉體粉碎良好，改性劑的助磨效果還可提高超細粉碎效率。

2.2.3外膜層改性法

外膜層改性是在粒子表面均勻地包覆一層聚合物，從而賦予粒子表面新的性質(zhì)。

左建華[28,29]用1〇1 (甲苯二異氰酸酯）、HPA對無(wú)機粒子滑石粉進(jìn)行表面處理后，經(jīng)MMA (甲基丙烯酸甲酯）表面接枝聚合而構成高分子化的復合粒子。研究了構成復合粒子的主要參數，以及與PVC混配后PVC材料的力學(xué)性能影響。結果顯示，經(jīng)過(guò)改性后的滑石粉加入復合粒子中，復合粒子拉伸強度和沖擊強度均明顯增強。他又將經(jīng)TDI和HPA修飾過(guò)后的滑石粉分別接枝包覆PMMA和PMMA-CoPBA層，構成復合粒子。通過(guò)FTIR、DSC等分析檢測確定了它們的形態(tài)結構。研究發(fā)現，與常規的滑石粉粒子填充物相比，包覆后的滑石粉填充高分子材料后，其最大拉伸強度、沖擊強度均明顯提高，提高率分別達到136%和162%,可作為新型強韌型填充改性劑用于PVC電纜料。

2.2.4其他改性法

滑石粉改性方法很多，除上述提到方法之外，還包括局部活性改性、高能量表面改性等，局部活性改性利用化學(xué)反應在粒子表面接枝上一些可與聚合物相容的基團或官能團，使無(wú)機粒子與聚合物有更好的相容性，從而達到無(wú)機粒子與聚合物復合的目的。高能量表面改性是利用高能放電、等離子射線(xiàn)、紫外線(xiàn)等所產(chǎn)生的巨大能量對粒子表面改性，使其表面具有活性，提高粒子與聚合物的相容性。

3應用展望

隨著(zhù)人們對滑石粉特性的認識逐步加深，滑石粉在涂料、塑料等行業(yè)中的應用領(lǐng)域將不斷擴大。由于改性高檔滑石粉的生產(chǎn)能力遠遠小于國內外市場(chǎng)的需求，滑石粉的合理改性越來(lái)越被人們重視。因此，在我們熟悉滑石粉各種理化性能及其在各行業(yè)中應用特性的同時(shí)，要在實(shí)驗和生產(chǎn)應用中不斷總結，不斷探索創(chuàng )新,運用現在高科技手段擴大中低檔產(chǎn)品的深加工，開(kāi)發(fā)高附加值的產(chǎn)品，共創(chuàng )滑石行業(yè)和涂料等加工行業(yè)的共贏(yíng)局面。隨著(zhù)滑石粉改性技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它在我國塑料、涂料等行業(yè)必將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。