煅燒高嶺土的表面改性是一種非常重要的深加工手段，也是擴(kuò)大煅燒高嶺土應(yīng)用領(lǐng)域和提高有機(jī)高分子制品質(zhì)量的一條十分有效的途徑。
對煅燒高嶺土進(jìn)行表面改性，是要改變高嶺土粉體顆粒界面的性質(zhì)，改善煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料的親合性，提高在有機(jī)高分子材料中的分散性，增強(qiáng)制品的多種性能，起到功能性的作用，增加煅燒高嶺土的填加量，提高產(chǎn)品檔次，降低高分子制品的成本。
1、煅燒高嶺土如何選擇表面改性劑？
煅燒高嶺土的表面改性是根據(jù)應(yīng)用的需要，將其表面原有的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改變。即是利用表面化學(xué)的方法，將有機(jī)物分子的官能團(tuán)在煅燒高嶺土顆粒表面產(chǎn)生吸附作用或化學(xué)反應(yīng)，對顆粒表面進(jìn)行包覆，使煅燒高嶺土的表面有機(jī)化，便于與有機(jī)高分子材料的結(jié)合。
煅燒高嶺土表面改性主要使用硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸脂偶聯(lián)劑、鋁酸脂偶聯(lián)劑等。
（1）硅烷偶聯(lián)劑
硅烷偶聯(lián)劑具有品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、用量少而效果顯著、用途廣泛的特點。硅烷偶聯(lián)劑是一類分子中同時含有兩種不同性質(zhì)基團(tuán)的有機(jī)硅化合物，可以用以下通式表示：YSiX3，其式中X3是水解基團(tuán)，一般是烷氧基，這類基團(tuán)水解后生成Si-OH，可與煅燒高嶺土顆粒表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成氫鍵，并縮合成共價鍵。由于氫鍵和共價鍵是遠(yuǎn)比范德華力強(qiáng)的界面作用力，而且硅烷偶聯(lián)劑與煅燒高嶺土粉體間的界面總鍵能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出單純的物理吸附。因此呈現(xiàn)出對煅燒高嶺土粉體界面有很強(qiáng)的附著力。
在此期間硅烷偶聯(lián)劑各分子間的Si-OH相互縮合，齊聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜，覆蓋在高嶺土粉體顆粒的表面，并外露有Y反應(yīng)活性的官能團(tuán)。這些反應(yīng)活性官能團(tuán)可與有機(jī)高分子材料等發(fā)生鍵合作用，使煅燒高嶺土與有機(jī)高分子基料之間產(chǎn)生強(qiáng)有力的交聯(lián)，形成牢固的化學(xué)鍵。
當(dāng)前，已商品化的硅烷偶聯(lián)劑已有近百種，在無機(jī)粉體顆粒的表面改性中常用的是乙烯基硅烷、氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、羧基硅烷、甲基硅烷等。硅烷偶聯(lián)劑是合成的，一般是硅原子上有可水解基團(tuán)的合成和硅原子上有官能團(tuán)的合成。無機(jī)粉體表面改性常用的硅烷偶聯(lián)劑采用的是后者的合成方法。
硅烷偶聯(lián)劑的選擇是煅燒高嶺土表面改性的關(guān)鍵技術(shù)。由于硅烷偶聯(lián)劑的水解速度取決于硅官能團(tuán)，而與有機(jī)高分子材料的反應(yīng)活性則取決于碳官能團(tuán)。選擇的方法主要是通過試驗預(yù)選，并應(yīng)在既有經(jīng)驗或規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行。由于各種材料的潤濕，表面界面層及極性吸附、酸堿的作用、共價鍵的反應(yīng)等因素的不同，因而，光靠試驗預(yù)選有時還不夠，還需綜合考慮材料的組成及其對硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)的敏感度等。
硅烷偶聯(lián)劑的使用效果，與硅烷偶聯(lián)劑的種類及用量、基材的特性、樹脂或聚合物的性質(zhì)以及應(yīng)用的場合、方法及條件等有著密切的關(guān)系。對特殊要求的產(chǎn)品要選擇兩種以上的偶聯(lián)劑，配制成復(fù)合偶聯(lián)劑。也可以根據(jù)材料的性能和技術(shù)的要求等，分別加入一定量的助劑或其他的改性劑，配合硅烷偶聯(lián)劑對煅燒高嶺土進(jìn)行更有效的表面改性。
硅烷偶聯(lián)劑的用量取決于煅燒高嶺土單位比表面積及硅烷偶聯(lián)劑所需覆蓋表面的量?？筛鶕?jù)改性高嶺土粉體的用量、比表面積及改性劑的最小包覆面積計算出。一般我們的經(jīng)驗用量是0.3%～1.5%。
（2）鈦酸脂偶聯(lián)劑
鈦酸脂偶聯(lián)劑分為單烷氧型、螯合型、配位型。單烷氧型的特點是含有多種功能，適用范圍廣，主要適用于處理干燥的煅燒高嶺土粉體。螯合型含有乙醇螯合基，適用于含水多的高嶺土粉體的表面改性。配位型耐水性好，多數(shù)不溶解于水，不發(fā)生酯交換反應(yīng)，適用多種類型的煅燒高嶺土改性。
在煅燒高嶺土的表面改性中，鈦酸脂偶聯(lián)劑一般不單獨使用，主要還是與硅烷偶聯(lián)劑混配使用，其效果比單一用鈦酸脂偶聯(lián)劑改性要好。
（3）鋁酸酯偶聯(lián)劑
鋁酸酯偶聯(lián)劑以前因易水解而很少使用。近年來廠家生產(chǎn)鋁酸酯采取了部分滿足中心鋁原子配位數(shù)的特殊結(jié)構(gòu)，使鋁酸酯偶聯(lián)劑得到了很好的應(yīng)用。
2、煅燒高嶺土如何選擇表面改性設(shè)備與工藝？
一般煅燒高嶺土的表面改性是以干法改性為主。干法改性成本低，工藝技術(shù)要求不復(fù)雜，改性效果能達(dá)到要求。目前國內(nèi)表面改性的設(shè)備有高速捏合機(jī)和連續(xù)改性機(jī)，也可用高頻振動研磨機(jī)等對煅燒高嶺土進(jìn)行表面改性。
（1）用高速捏合機(jī)改性
將煅燒高嶺土粉體加入到捏合機(jī)中，在攪拌葉片的高速旋轉(zhuǎn)運動下，高速旋轉(zhuǎn)的料流撞擊到折流板上，改變物料流動的方向，物料可旋轉(zhuǎn)式的上下轉(zhuǎn)動，強(qiáng)化了物料的混合與分散效果，當(dāng)磨擦升溫后，滴加助劑，調(diào)整煅燒高嶺土的表面性質(zhì)。當(dāng)溫度繼續(xù)上升到90℃時，以霧化或滴加的方式加入改性劑，然后再進(jìn)行高速攪拌等工藝。
（2）用連續(xù)改性機(jī)改性
用SLG三筒連續(xù)改性機(jī)時將煅燒高嶺土和復(fù)合改性劑按一定比例分加，并以螺旋送料的方式進(jìn)入到改性腔中，煅燒高嶺土可在該段加熱。當(dāng)物料進(jìn)入改性腔體后，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動下，呈流化態(tài)旋轉(zhuǎn)，對煅燒高嶺土進(jìn)行充分的混合打散和強(qiáng)制表面改性。
PSC連續(xù)改性機(jī)是先將高嶺土在螺旋送料段加熱，然后用螺旋方式輸送到霧化腔體，將復(fù)合改性劑以霧狀與其他改性劑的霧化態(tài)加入，得以與加溫后的煅燒高嶺土充分的混合。然后進(jìn)入打散段，在攪拌棒的高速攪拌下，對物料進(jìn)行充分的打散和混合。
（3）用高頻振動研磨機(jī)進(jìn)行表面改性
該設(shè)備是依靠激振器，使筒體內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生高頻率小振幅的振動，由于振動加速度比重力加速度大得多，使磨管內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊和旋轉(zhuǎn)運動，并且高嶺土可以快速升溫，使物料在強(qiáng)力振動和一定的溫度中能快速有效的被打散混合。該設(shè)備可將煅燒后的高嶺土的打散和表面改性一次完成，在打散的過程中即可進(jìn)行表面改性。
使用該設(shè)備前首先要調(diào)整好介質(zhì)的級配，當(dāng)物料輸入磨機(jī)后經(jīng)振動磨擦升溫，復(fù)合改性劑可在磨管的加液口處以霧化的方式按物料的流動量，以一定的比例定量加入。也可在上、下磨管的加液口處，分別加入助劑和改性劑等。該設(shè)備的改性效果不但好，而且還可提高煅燒高嶺土的加工效率，簡化生產(chǎn)工藝，降低煅燒高嶺土的改性成本，具有很好的應(yīng)用價值。
不管選用什么樣的表面改性設(shè)備，一定要滿足煅燒高嶺土表面改性的工藝技術(shù)要求。首先要求設(shè)備能夠加熱，并能保溫，有打散功能，要根據(jù)改性劑與高嶺土反應(yīng)機(jī)理的技術(shù)條件選擇理想的改性機(jī)。
3、煅燒高嶺土改性后應(yīng)用效果如何？
經(jīng)表面改性后的煅燒高嶺土與有機(jī)高分子材料的交聯(lián)性有了改善，其分散得到了提高，承受外界負(fù)荷的有效截面得到增加，使有機(jī)高分子材料制品的力學(xué)性能等得到增強(qiáng)，功能性大大提高。
（1）改性煅燒高嶺土在涂料中的應(yīng)用
無機(jī)填料一般在涂料液態(tài)有機(jī)相中的分散可分為潤濕，解聚及抗絮凝三個過程。
經(jīng)表面改性后的煅燒高嶺土由親水變?yōu)槭杷?、親油、低表面能、吸油量少、易被有機(jī)基料潤濕、不絮凝、易分散。由于其顆粒表面能的變化，吸油量的減少，降低了與涂料基料間的結(jié)構(gòu)作用，使涂料的粘度降低，消除了高嶺土的絮凝，提高了分散性。同時也改善了涂料的流變性和防沉降。并且增加了改性高嶺土的添加量，更多的替代顏料等，節(jié)約樹脂基料，降低成本，這也適應(yīng)環(huán)保的高固體涂料的要求。
由于改性高嶺土的改性劑主體是有機(jī)硅類高分子材料，它們具有優(yōu)良的耐高低溫、耐紫外線、耐氧化降解以及電絕緣等性能。經(jīng)表面改性的煅燒高嶺土，用于耐候涂料、耐熱涂料、電絕緣涂料、隔離涂料中均可對這些產(chǎn)品特殊性能的要求起到一定的作用。
（2）改性高嶺土在塑料制品中的應(yīng)用
在PVC塑料電纜中加入改性煅燒高嶺土，可提高電纜的體積電阻率，是PVC高壓電纜生產(chǎn)中不可缺少的一種功能性材料。
改性煅燒高嶺土填料加到農(nóng)用PE塑料大棚膜中，可起到阻隔遠(yuǎn)紅外線的作用。由于在農(nóng)用塑料大棚膜中，夜間土壤的溫度高于棚內(nèi)空間的溫度時，土壤將發(fā)出波長7～14μm的遠(yuǎn)紅外線，而填加改性高嶺土的大棚膜，可起到阻隔作用。
（3）改性煅燒高嶺土在橡膠制品中的應(yīng)用
改性高嶺土在橡膠中的應(yīng)用，一般都能起到半補(bǔ)強(qiáng)以上的效果，并有利于和膠料的交聯(lián)，其分散效果及硫化效率有明顯的改善，對其加工工藝有一定的提高，可增加高嶺土的填加量，起到提高質(zhì)量和降低成本的作用，是橡膠制品中比較理想的補(bǔ)強(qiáng)填料。
（4）改性煅燒高嶺土在其他方面的應(yīng)用
改性煅燒高嶺土應(yīng)用于絕緣材料行業(yè)中，可起到阻燃、提高電阻率、部分替代三氧化二銻。工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用阻燃效果能達(dá)到V0級。另外還能起到防沉降和降低成本的作用。
改性煅燒高嶺土填加到尼龍等工程塑料中，可使產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性、硬度、變形溫度等性能都有較大的提高，并可降低產(chǎn)品的成本。
4、煅燒高嶺土表面改性有哪些問題需注意？
改性煅燒高嶺土粉體主要應(yīng)用于涂料、塑料、橡膠等行業(yè)。但是這些高分子制品行業(yè)所用的有機(jī)原料、配方、加工工藝及技術(shù)性能的要求是不同的，這樣就給煅燒高嶺土的表面改性，以及高嶺巖粉的煅燒等提出了一些重要的要求。
（1）高嶺巖煅燒溫度的選擇
根據(jù)高嶺巖的煅燒工藝過程，在較低溫度煅燒時，高嶺土的活性比較高。在較高溫度煅燒時，可形成鋁尖晶石，并在一定溫度下有莫來石化產(chǎn)生，此時高嶺土的活性比較低，不能滿足一些有機(jī)高分子制品的需要。所以在不同的行業(yè)中應(yīng)用，應(yīng)選擇不同煅燒溫度的高嶺土，并根據(jù)不同的技術(shù)要求進(jìn)行表面改性。
例如：電纜用改性高嶺土就需要用低溫煅燒出的高嶺土，其表面活性好，在電纜中應(yīng)用能起到很好的效果。涂料用改性高嶺土的煅燒溫度可以偏高，因為它主要是替代部分顏料，但也不能過高，產(chǎn)生莫來石化。
（2）助劑及偶聯(lián)劑的選擇
助劑和偶聯(lián)劑的選擇是煅燒高嶺土表面改性最重要的環(huán)節(jié)。一般煅燒高嶺土改性選擇的是硅烷類和鈦酸脂類的偶聯(lián)劑。
另外，煅燒高嶺土的表面改性，不僅僅只用偶聯(lián)劑來進(jìn)行表面改性，而應(yīng)根據(jù)煅燒高嶺土的性質(zhì)及有機(jī)高分子制品的一些工藝技術(shù)要求加入一定量的助劑，配合偶聯(lián)劑進(jìn)行更有效的表面改性。
（3）表面改性工藝的選擇
不管選擇什么表面改性設(shè)備，都應(yīng)有加熱裝置，在預(yù)熱時加入助劑，也可將兩種以上的偶聯(lián)劑及助劑復(fù)合后加入，也可將不同的偶聯(lián)劑和助劑分開加入，加入的方法一定要以霧化法加入，并要保溫一定的時間和打散。
從21世紀(jì)開始，有機(jī)高分子制品行業(yè)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和開放階段。從數(shù)量主導(dǎo)型向質(zhì)量、品種、效益為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)過渡，以達(dá)到產(chǎn)業(yè)開放的目標(biāo)。為此我們高嶺土行業(yè)也要面對現(xiàn)實，應(yīng)圍繞有機(jī)高分子制品行業(yè)的發(fā)展方向，并與其產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)緊密結(jié)合，把高嶺土的表面改性向高質(zhì)量型、高技術(shù)型、高附加值以及多功能型轉(zhuǎn)化，將煅燒高嶺土的表面改性提高到一個更高的層次。
來源：煤系煅燒高嶺土的表面改性和應(yīng)用效果及應(yīng)注意的問題
編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)
