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| 礦物表面改性效果的預先評價(jià)方法 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-01-09 09:05:50 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/劉莉）改性效果的表征評價(jià)是礦物表面改性領(lǐng)域的重要研究課題之一。通過(guò)考察礦物粉體填充形成的制品的性能 ，便可對改性效果作出評價(jià)。這種方法雖耗資費力，但結論可靠，在表面改性的研究和應用中，一直被廣泛采用。
隨著(zhù)非金屬礦等礦物材料深加工技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，礦物表面改性已逐漸發(fā)展成獨立于制品生產(chǎn)部門(mén)的單獨的粉體加工工藝。因此，考察改性產(chǎn)品自身性能，即測試表面特性及若干物理化學(xué)性質(zhì)而對改性效果進(jìn)行預先評價(jià)便顯得十分必要。對改性產(chǎn)品進(jìn)行預先評價(jià)可避免因考察其加工制品性能而由制品其它加工條件帶來(lái)的評價(jià)誤差，同時(shí)簡(jiǎn)單、易行。
1 藥劑吸附量評價(jià)法
通過(guò)測定礦物表面的藥劑吸附量來(lái)評價(jià)改性效果，首推Thomas· G· Waddell等人的水楊醛法檢測丙胺基硅氧烷與白碳黑偶聯(lián)效果的研究。丙胺基硅氧烷中的-NH2 基團對水楊醛呈顯色反應，因而與白碳黑反應后，體系中未反應的藥劑可被水楊醛萃取顯色。通過(guò)吸光度的檢測，可了解白碳黑表面吸附的硅烷含量從而達到評價(jià)偶聯(lián)效果的目的。
利用上述原理，檢測硅烷偶聯(lián)劑與粘土表面改性效果的方法已得到應用。不過(guò)，礦物改性粉體的填充性能不僅取決于改性劑在表面吸附量的多少，還取決于藥劑與礦物間的作用性質(zhì)，兩者化學(xué)鍵合作用越強，則改性效果越好。因此，藥劑吸咐量的測定有時(shí)還需與紅外光譜等表面分析手段相結合，才能對礦物表面改性效果作出更準確的評價(jià)。
由于吸附是一種表面現象，所以測定礦物顆粒對特定物質(zhì)吸附程度的變化也可以評價(jià)改性效果，如SiO2 表面因含有OH- 可以從苯中吸附甲基紅分子，但經(jīng)有機化改性后，吸附能力下降，甚至不能吸附。
2 表面自由能評價(jià)法
通常使用的非金屬礦物除滑石等少數之外，一般都具有較大的表面自由能。改性藥劑的表面能遠小于礦物固體表面自由能，因此，礦物表面經(jīng)改性劑附著(zhù)后，表面能降低。表面能的降低往往反映藥劑的附著(zhù)程度，因而其變化反映改性效果。硬脂酸對碳酸鈣的改性，測定表面能的變化可作出改性效果與條件的定量表征評價(jià)。隨硬脂酸用量的增加，碳酸鈣表面自由能 和自由能極性分量 逐漸下降，用量至1%，表面自由能 已由207. 9m J/m2 降至41. 4mJ /m2 ，改性效果明顯。
3 表面潤濕性評價(jià)法
礦物表面潤濕性的直接表征方式是界面接觸角，表面潤濕性的變化還直接決定礦物粉體在液體介質(zhì)中的分散與聚團行為，直接決定礦物粉體在液體介質(zhì)中與氣泡的粘附行為; 另外，表面潤濕性的變化還直接影響較高濃度固液懸浮體的粘度。因此，利用表面潤濕性評價(jià)改性效果主要借助上述各種特性的測定來(lái)完成。
3. 1 測定界面接觸角
接觸角反映了粉體顆粒與液體介質(zhì)之間的潤濕能力。接觸角小，潤濕能力強; 接觸角大，潤濕能力差。顯然，改性粉體在極性液體中的接觸角越大，在非極性液體中的接觸角越小，說(shuō)明粉體顆粒表面疏水性越強，對于非金屬礦物填料的疏水化改性則說(shuō)明改性效果越好。比較接觸角的大小，便可對改性效果作出評價(jià)。
礦物粉體接觸角的測定，比較實(shí)用的方法主要有兩種。第一，壓片直接測定法，即將礦物粉體在固定條件下壓制成可測量的固體片或塊，在接觸角測量?jì)x上直接測量；第二，潤濕平衡高度法，通過(guò)測量一定緊密度粉體柱中液體的上升高度隨時(shí)間的變化，然后根據Washburn方程換算出接觸角數值，此法為間接測量， 僅適合小于90°的接觸角的測量。
3. 2 評判分散與聚團行為
微細礦物顆粒在溶劑中的分散與聚團行為受顆粒間界面作用能的決定和制約。根據膠體化學(xué)界的最新研究結論，微粒間的界面相互作用能由非極性( DLVO 相互作用)和極性(溶劑化學(xué)作用)兩部分組成。在有藥劑吸附作用的體系中，極性部分不可避免，并因數值較大而往往占主導地位(比非極性作用能大1～ 2個(gè)數量級) ，因而成為影響和決定顆粒間分散與聚團行為的主要因素。顆粒間界面極性相互作用能的性質(zhì)(吸引、排斥)和程度與顆粒表面性質(zhì)和溶劑極性有關(guān)。所以，評判礦物粉體在溶劑中的分散與聚團行為便可了解表面性質(zhì)，進(jìn)而對改性效果作出評價(jià)。
礦物粉體顆粒在非極性溶劑中的行為與在水中有很大不同，表現為疏水礦粒易分散，親水礦粒則產(chǎn)生聚團，所以評價(jià)改性效果往往通過(guò)評判礦物粉體在不同性質(zhì)溶劑中的分散與聚團行為來(lái)實(shí)現。
3. 2. 1 定性描述分散行為
通過(guò)直接觀(guān)察，定性描述礦物粉體在溶劑中的分散行為，可對改性效果進(jìn)行評價(jià)。這種方法簡(jiǎn)便、直觀(guān)，一般只用于改性前后的比較，用于條件的選擇則誤差較大。
3. 2. 2 測量累計沉降率
根據累計沉降的原理，利用自動(dòng)記錄沉積天平，直接測量經(jīng)充分攪拌的固液懸浮體中固定位置處不同時(shí)間固體顆粒的累計沉降重量，并計算相當于沉降區總量的沉降率，便可評定顆粒間的分散與聚團行為。沉降率大，表明顆粒在介質(zhì)中的分散性弱、聚團性強； 沉降率小，顆粒間聚團性弱、分散性強。根據前面分析的顆粒表面性質(zhì)與其在溶劑中分散與聚團行為的關(guān)系，可依據沉降分析結果評價(jià)改性效果。
3. 3 測量沉降物體積變化
基于疏水聚團沉降體積大于相同顆粒粉體非聚團因素沉降體積的原理，對比不同條件下粉體沉降體積的變化，可評判聚團行為進(jìn)而評價(jià)改性效果。測定沉積物體積常用沉降試驗的方法，即測量一定濃度懸浮液澄清界面向下移動(dòng)的速度。
3. 4 測量懸浮體粘度
較高固體含量的固液懸浮體的粘度與顆粒表面和液體間的潤濕親和作用有關(guān)。相同溫度下，若固液間親和作用強，則粘度低，若親和作用弱，則粘度高。如前所述，親和作用受顆粒表面性質(zhì)和液體極性支配，因此，借助測量固液懸浮體粘度的方法便可對改性效果作出評價(jià)。
對于疏水化表面改性， 常用礦物粉體與有機液體組成的懸浮體進(jìn)行粘度測定評價(jià)，對親水化改性，則使用水做為懸浮液體。懸浮體的粘度常用旋轉粘度計進(jìn)行測量。
3. 5 測量礦粒在液面漂浮量
疏水礦粒在水中若與氣泡接觸，則發(fā)生粘附作用，并由氣泡帶至氣水界面。礦粒在氣水界面上受到的力有三相潤濕周邊的粘著(zhù)力、重力、浮力和靜水壓力。當各作用力間滿(mǎn)足特定的約束條件時(shí)，顆粒在液面漂浮， 否則，沉入水中。礦粒粘附于氣泡的程度和在液面上的行為均與表面潤濕性有關(guān)。礦粒表面疏水性越強，粘附于氣泡的程度就越強，在氣液界面上潤濕周邊的粘著(zhù)力就越大，即上浮的趨勢越大。對于顆粒細微的改性礦物，表面疏水性及由此導致的粘著(zhù)力是影響顆粒行為的最主要因素。因而，測定礦物粉體在鼓入空氣的條件下，攪拌一段時(shí)間后在水面上漂浮量的多少便可反映改性效果。
3. 6 其它
除以上五種方法外，基于表面性質(zhì)的變化預先評價(jià)改性效果還可采用測定吸油量、測定吸水率和水滲透速度的方法。
4 分析技術(shù)評價(jià)法
用于表面改性領(lǐng)域的現代分析技術(shù)主要有紅外光譜( IR)、X衍射、熱分析(差熱分析DTA、熱重分析TGA) 和X 光電子能譜(X PS)等，主要用來(lái)研究作用機理。
改性效果的表征評價(jià)是礦物表面改性領(lǐng)域的重要研究課題，基于改性導致礦物表面性質(zhì)的變化而形成的預先評價(jià)方法是礦物表面改性工藝的重要環(huán)節。（丁浩 /中國地質(zhì)大學(xué)北京）
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