Đặc tính bề mặt ưa nước của bột thạch anh tạo ra những thách thức về khả năng tương thích với các ma trận polyme hữu cơ. Do đó, việc biến đổi bề mặt là điều cần thiết để chuyển đổi các đặc tính của bột từ ưa nước sang kỵ nước, do đó tăng cường khả năng thấm ướt của hạt và thúc đẩy sự phân tán đồng đều trong các hệ thống hữu cơ.
Nguyên lý sửa đổi bề mặt thạch anh
Nhìn chung, các hạt bột thạch anh càng mịn thì diện tích bề mặt riêng càng lớn và càng nhiều nhóm hydroxyl hoạt động bề mặt, khiến nó phản ứng mạnh hơn. Sau khi biến đổi, hiệu ứng được cải thiện. Các khoáng chất silicat như thạch anh, khi bị nghiền nát về mặt cơ học, sẽ tạo ra các gốc tự do hoặc ion trên bề mặt mới hình thành. Trong điều kiện bên ngoài, các nhóm như Si-OH, Si-O-Si và Si-OH···H được hình thành trên bề mặt. Các nhóm này có thể dễ dàng liên kết với các nhóm chức năng bên ngoài, đạt được mục tiêu biến đổi và tạo nền tảng cho biến đổi bề mặt. Trong quá trình biến đổi, các yếu tố như nhiệt độ, lựa chọn và lượng chất biến đổi, phương pháp xử lý và quy trình biến đổi là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu ứng biến đổi.
Phương pháp sửa đổi
Có nhiều phương pháp để biến tính hữu cơ bề mặt bột thạch anh, nhưng chỉ dựa vào hấp phụ vật lý lên bề mặt bột thạch anh dẫn đến hiệu quả biến tính kém. Nó dễ bị tách ra trong quá trình khuấy và rửa, và không thể cải thiện đáng kể hiệu suất sản phẩm khi ứng dụng.
Biến đổi năng lượng cao có chi phí cao, phức tạp về mặt kỹ thuật và khó thực hiện trong sản xuất công nghiệp.
Biến đổi hóa học cơ học bao gồm việc nghiền bột bằng máy để tạo ra các vị trí hoạt động tạm thời trên bề mặt, làm giảm năng lượng hoạt hóa để biến đổi bề mặt.
Biến tính lớp phủ hóa học là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để biến tính bề mặt bột thạch anh. Phương pháp này bao gồm biến tính tác nhân ghép và ghép polyme. Cơ chế liên kết bao gồm việc hình thành liên kết cộng hóa trị với bề mặt bột thạch anh. Trong quá trình biến tính tác nhân ghép, quá trình thủy phân tác nhân ghép tạo ra các nhóm silanol.
Các nhóm này trải qua quá trình ngưng tụ mất nước với các nhóm hydroxyl silica trên bề mặt bột thạch anh để tạo thành liên kết cộng hóa trị. Phương pháp này tiết kiệm chi phí, mang lại hiệu quả biến đổi cao và sản phẩm biến đổi duy trì hiệu suất ổn định trong thời gian dài hơn.
Quá trình sửa đổi
Trong sản xuất công nghiệp, biến tính khô cơ học chủ yếu được sử dụng. Chất biến tính được phun vào trong quá trình nghiền, giúp rút ngắn quá trình công nghiệp. Phương pháp này tạo ra các vị trí hoạt động tạm thời và nhiệt độ cao, tạo điều kiện cho quá trình biến tính bề mặt. Sản phẩm không cần khử nước và sấy khô. Tuy nhiên, hiệu ứng biến tính kém hơn đáng kể so với phương pháp ướt. Biến tính khó đạt được đồng đều và nhiệt độ cao cục bộ có thể làm hỏng chất biến tính.
Kiểm soát quá trình này cũng là một thách thức. Sau khi biến tính khô, bột thạch anh được coi là sản phẩm thô trong các ứng dụng công nghiệp. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhựa, vật liệu xây dựng và cao su. Biến tính ướt bao gồm ngâm, đun nóng, khuấy và khử nước bột thạch anh bằng thuốc thử. Nó phức tạp hơn các phương pháp khô nhưng mang lại hiệu quả biến tính tốt hơn. Nó thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp cao cấp như màng và lớp phủ.
Quá trình biến tính hỗn hợp phủ cơ học hóa học và hóa học liên quan đến việc thêm chất biến tính trong quá trình nghiền. Quá trình này kết hợp nghiền mịn và nghiền siêu mịn. Khi kích thước hạt cát thạch anh giảm, quá trình biến tính bề mặt diễn ra. Quá trình biến tính hỗn hợp này rất đơn giản. Một số chất biến tính cũng hỗ trợ quá trình nghiền, cải thiện hiệu quả nghiền. Tuy nhiên, việc kiểm soát nhiệt độ rất khó khăn. Các hạt liên tục bị nghiền, tạo ra bề mặt mới. Lớp phủ chất biến tính có thể không đồng đều. Ngoài ra, nhiệt độ cao do thiết bị tạo ra có thể phân hủy chất biến tính hoặc làm hỏng cấu trúc phân tử của chúng.
Quá trình sửa đổi hỗn hợp sấy và phủ hóa chất liên quan đến việc thêm chất sửa đổi trong quá trình sấy bột ướt. Đây là một quá trình tổng hợp trong đó quá trình mất nước và sửa đổi bề mặt diễn ra đồng thời. Quá trình sấy hoạt động ở nhiệt độ cao (trên 200°C).
Người sửa đổi
Các chất điều chỉnh chính cho quá trình biến tính bột thạch anh bao gồm các tác nhân liên kết silane, các tác nhân liên kết aluminate và các tác nhân liên kết titanate. Các axit béo và một số chất hoạt động bề mặt cation (như hexadecyltrimethylammonium bromide) thường được sử dụng để biến tính bề mặt trong công nghiệp. Các chất điều chỉnh này có giá thành thấp và dễ áp dụng, nhưng hiệu ứng biến tính thường ở mức trung bình, tạo ra các sản phẩm có chất lượng thô. Các tác nhân liên kết silane mang lại hiệu ứng biến tính bề mặt tốt nhất cho bột thạch anh nhưng đắt hơn. Các tác nhân liên kết aluminate và titanate có giá thành thấp hơn và dễ áp dụng hơn, nhưng hiệu ứng biến tính của chúng không tốt bằng các tác nhân liên kết silane.
Biến tính bề mặt bột thạch anh bằng polysiloxane biến tính có thể thay đổi hiệu quả các đặc tính bề mặt của nó. Điều này làm giảm lượng nhựa sử dụng trong quá trình chế biến đá thạch anh nhân tạo. Do đó, chi phí sản xuất tấm đá thạch anh nhân tạo được giảm đáng kể.
Sử dụng phương pháp nghiền bi cơ học làm tăng cơ hội tiếp xúc và va chạm giữa polysiloxane biến tính và bột thạch anh. Điều này thúc đẩy phản ứng biến tính và đạt được kết quả tuyệt vời.
Xét đến giá trị hấp thụ dầu, độ nhớt, thời gian thẩm thấu và các yếu tố chi phí kinh tế, liều lượng tối ưu của polysiloxan biến tính là 3,5‰.
Phần kết luận
Hiện nay, nhu cầu về bột thạch anh biến tính đang chuyển dịch sang kích thước hạt siêu mịn. Bột thạch anh nano có cấu trúc mạng ba chiều. Điều này mang lại cho nó những đặc tính độc đáo, khiến nó trở nên không thể thay thế trong nhiều ứng dụng. Nó có triển vọng phát triển đầy hứa hẹn. Với những cập nhật liên tục về thiết bị sản xuất, các công nghệ biến tính cao cấp sẽ trở nên công nghiệp hóa. Điều này sẽ mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của nó.