阳离子表面活性剂对电气石表面改性效果的探讨

胡应模，卞 江，吴正明

（1.中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083；2.岩石矿物材料国家专业实验室, 北京 100083）

【试验研究】

阳离子表面活性剂对电气石表面改性效果的探讨

胡应模1,2，卞 江1，吴正明1

（1.中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083；2.岩石矿物材料国家专业实验室, 北京 100083）

本文选择了三种阳离子表面活性剂为改性剂，对电气石粉体的表面改性效果进行了探讨，试验结果表明，与反应性试剂、偶联剂、非离子表面活性剂及阴离子表面活性剂等改性剂相比，阳离子表面活性剂对电气石的表面改性效果明显较低，为电气石表面改性及其综合利用提供了明确的参考信息。

电气石；阳离子表面活性剂；表面改性；接触角

电气石(Tourmaline)是一种具有独特功能的矿物材料，在其颗粒周围存在静电场，永久性自发极化效应使其具有热电性、压电性、天然电极性、辐射红外线以及释放负离子等性能，被广泛地应用于环境保护、医疗保健、电磁屏蔽、建材等领域[1-4]，它被誉为21世纪改善环境、促进人体健康的全新材料[5]。

许多国家和地区正在对电气石进行深入的研究，以期研发出功能型产品[6-7]，而目前兴起的有机—无机复合材料的研发恰给这一功能型无机矿物材料的应用开发提供了新的途径，但是电气石粉体是极性亲水性的表面结构，与聚合物表面性能差异较大，难以直接牢固结合，使得电气石在非极性聚合物中分散稳定性差，导致电气石/聚合粉复合材料的力学性能下降，从而影响其综合性能。为提高电气石与聚合物树脂基体的相容性和分散稳定性，制备性能优良的功能复合材料，需要对电气石的表面进行有机化改性，因此，近年来电气石表面的有机改性受到了人们的广泛关注[8-10]。

本课题组以电气石的表面改性及其复合材料为研究方向获到国家自然基金资助，本文首先对反应性试剂[11]、偶联剂[12-13]、非离子表面活性剂[14-15]以及阴离子表面活性剂[16]等不同类型的改性剂对电气石的表面改性效果及其机理进行了系统的探讨，得到了分散性、疏水性能优良的有机化改性电气石。为了系统探讨电气石的表面改性规律，本文选择了几种阳离子表面活性剂对电气石的表面改性效果进行了探讨。

1 试验部分

1.1 试剂及仪器

超细电气石粉，粒度8 000目(d50＝1.75μm，d97＝5.23μm)，纯度为98%，河北省灵寿县燕新矿产加工厂产品；铝酸酯偶联剂(LD-B)，扬州立达树脂有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，西陇化工股份有限公司；苯溶液，分析纯，北京化工厂；液体石蜡，化学纯，天津市福晨化学试剂厂；十二烷基三甲基氯化铵，工业品，上海金山经纬化工有限公司；十六烷基三甲基氯化铵，工业品，汕头市西陇化工厂；双十八烷基二甲基氯化铵，工业品，天津乐泰化工有限公司。

DSA100M光学接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司；Spectrum 100系列傅立叶变换红外光谱仪，玻金埃尔默仪器(上海)有限公司生产；S-450型扫描面子显微镜，日本日立公司。

1.2 试验方法

称取5.0g电气石粉加入四口烧瓶中，加入50mL溶剂(水)和一定量的阳离子表面活性剂，在适当的温度下反应一段时间后，用无水乙醇洗涤三次，真空抽滤，烘干研磨待用。

1.3 测试与表征

1.3.1 表面接触角

表面润湿性的变化直接决定粉体在液体介质中的分散与聚团行为。改性粉体与水的接触角越大，说明改性效果越好[6]。因此，通过比较接触角，可对改性效果进行有效的评价。本文以水为介质，对改性前后电气石粉体压片， 用上海中晨数字技术设备有限公司生产的JC2000C接触角测量仪测量其与水接触角的变化，从而评价改性效果的好坏。

1.3.2 IR分析

经KBr晶体压片，用玻金埃尔默仪器(上海)有限公司生产的Spectrum100系列傅立叶变换红外光谱仪，对改性前后的电气石粉进行红外光谱分析，扫描范围4 000～400cm-1。

1.3.3 SEM分析

将改性和未改性的电气石粉分别分散于DMF中，制样， 用日本日立公司生产的S-450型扫描电子显微镜观察其形貌。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件的优化

通过对改性电气石的接触角的检测，考察了反应温度、改性剂用量及反应时间对电气石改性效果的影响。

2.1.1 反应温度

反应温度对改性效果的影响如表1所示，表1的试验数据看出，随着反应温度增加，三种阳离子表面活性剂改性电气石的接触角均具有先增加后降低的趋势，尽管在60～80℃具有最佳值，但是接触角均较小，仍表现为亲水性，说明阳离子表面活性剂对电气石的改性效果不佳。

表1 不同改性温度下电气石样品的接触角数据

2.1.2 改性剂添加量

不同阳离子表面活性剂的用量对电气石的改性效果的影响如表2所示，从表2的试验数据可以看出三种阳离子表面活性剂的用量对电气石的改性效果没有明显影响，且所得产物的疏水性能较差，即阳离子表面活性剂的用量。

表2 不同改性剂添加量电气石样品的接触角数据

2.1.3 改性时间

反应时间对阳离子表面活性剂的改性效果的影响如表3，表3的数据表明，反应时间的改变没有改善阳离子表面活性剂对电气石的改性效果，所得产物的疏水性能较差。

表3 不同改性时间电气石样品的接触角数据

上述条件试验结果表明，与反应性试剂[11]、偶联剂[12-13]、非离子表面活性剂[14-15]及阴离子表面活性剂[16]等改性剂相比，阳离子表面活性剂对电气石的改性效果明显较低，这可能跟电气石的结构相关，电气石表面有金属离子(Na、Mg、Al等)和OH、F等，能与反应性试剂、偶联剂、非离子及阴离子表面活性剂发生键合或吸附作用，在电气石表面引入疏水性基团，而难以与阳离子表面活性剂产生有效的作用力，所以阳离子表面活性剂不适合于用来对电气石进行表面改性。

2.2 IR分析

改性前后电气石的IR谱如图1所示，从图1看出，2 900～3 000cm-1处均没有吸收峰出现，表明电气石表面没有疏水性有机长链烃基，说明阳离子表面活性剂不能对电气石表面进行有效的改性，这与上述结果一致。

图1 改性前后电气石的红外光谱图

2.3 SEM分析

为了进一步表征阳离子表面活性剂对电气石的改性效果，采用SEM对改性前后的电气石分别进行了表征，图2为改性前后电气石的SEM图。

图2 改性前后电气石的SEM图

从图2a可以看出未改性电气石的团聚现象较为严重，而阳离子表面活性剂改性后的电气石图2(b～d)的团聚现象有一定程度的改善，但团聚现象仍然较明显，表明阳离子表面活性剂对电气石的表面改性效果不明显。

3 总结

本文以阳离子表面活性剂为改性剂在不同条件下对电气石的改性效果进行了探讨，试验数据及分析表征结果表明，与反应性试剂、偶联剂、非离子表面活性剂及阴离子表面活性剂等改性剂相比，阳离子表面活性剂对电气石的改性效果明显较低，为电气石表面改性及其综合利用提供了明确的参考信息。

[1]王光华，董发勤.电气石的功能属性及应用[J].中国非金属矿工业导刊，2007(5)：9-11.

[2]张志湘，余丽秀，刘新海.电气石深加工与应用技术研究现状[J].中国建材科技，2007(5)：41-45.

[3]何登良，董发勤.电气石的环境功能属性及应用研究动态[J].中国非金属工业导刊，2006(1)：10-14.

[4]魏健，刘渝燕，张开永.电气石应用专属性研究[J].非金属矿，2003，26(1)：34-36.

[5]董发勤，何登良，袁昌来.电气石的环境功能属性及应用[J].功能材料，2005，36(10)：1485-1488.

[6]TOKUMURA M, ZNAD H T, KAWASE Y. Modeling of an external light irradiation slurry photoreactor: UV light or sunlight-photoassisted fenton discoloration of azo-dye orange II with natural mineral tourmaline powder[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61(19): 6361-6371.

[7]LIANG J S, MENG J P, LIANG G C, et al. Preparation and photocatalytic activity of composite films containing clustered TiO2particles and mineral tourmaline powders[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2006, 16: 542-546.

[8]任飞，韩跃新，印万忠，等.电气石的表面改性研究[J].中国非金属矿工业导刊，2005(2)：17-19.

[9]王平，杜高翔，郑水林，等.超细电气石粉体的表面改性试验研究[J].化工矿物与加工，2008(2)：17-19.

[10]WANG Y, YEH J T, YUE T J, et al. Surface modification of superfine tourmaline powder with titanate coupling agent[J]. Colloid. Polym. Sci, 2006, 284: 1465-1470.

[11]边静，胡应模，杨雪，等.月桂酰氯对电气石的表面改性及其结构表征[J].硅酸盐通报，2011，30(5)：1142-1146.

[12]胡应模，熊佩，杨雪，等.铝酸酯对电气石的表面改性及其表征[J].高校地质学报，2011，17(9)：447-451.

[13]胡应模，杨雪，王清岭，等.钛酸酯对电气石粉体的表面改性及表征[J].矿产综合利用，2013(1)：69-72，77.

[14]杨雪，胡应模，朱建华，等.Span60对电气石粉体的表面改性及表征[J].矿产综合利用，2011(1)：14-17.

[15]HU Y, YANG X. The surface organic modification of tourmaline powder by span-60 and its composite[J]. Applied Surface Science, 2012, 258(19): 7540-7545.

[16]胡应模，于梦兰.硬脂酸钠对电气石的表面改性及其结构表征[J].中国非金属矿工业导刊，2013(1)：27-29.

Studies on Surface Modification of Tourmaline Powder With Cationic Surfactants

HU Ying-mo1,2, BIAN Jiang1, WU Zheng-ming1
(1. School of Material Science and Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. National Laboratory of Mineral Materials, Beijing 100083, China)

In this paper, it was studied that tourmaline powder was modified with three kinds of cationic surfactant. Experiment results showed that the modification effect of cationic surfactant was rather low obveriously comparative to reactive agent, coupling agent, non-ionic surfactant and anion surfactant. The results give a clear message to tourmaline surface modification and its comprehensive utilization.

tourmaline; cation surfactant; surface modification; contact angle

TQ423.12；TQ423.9；P578.953

A

1007-9386(2014)01-0026-03

2013-10-10

本课题获国家自然科学基金资助(项目编号：51072187)。