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、填料等領域。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。為了更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。
超細粉碎：
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/濕球磨機、雷蒙磨、干/濕攪拌磨、氣流磨、干/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最大;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1.28μm,在濕磨條件下粉碎極限為1.01μm。李化建等對用優質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。
提純：
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。
表面改性：
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,對于環氧樹脂絕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。
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