钛酸酯偶联剂对石粉无机废料的表面改性工艺研究*

李　直，朱兴茂，潘　玲，李　娇，农芳红，张勇兰

(贵州工程应用技术学院化学工程学院，贵州　毕节　551700)



钛酸酯偶联剂对石粉无机废料的表面改性工艺研究*

李直，朱兴茂，潘玲，李娇，农芳红，张勇兰

(贵州工程应用技术学院化学工程学院，贵州毕节551700)

研究了钛酸酯偶联剂对石粉无机废料的改性效果，利用复合改性工艺探索钛酸酯偶联剂用量对石粉无机废料的亲油性、吸油值和活化度的影响，外光谱分析改性效果。得出改性后的石粉废料亲油性较好，吸油值较低，活化度达到91.60%，且废料表面有效键合了其他有机化学键。

石粉废料；钛酸酯偶联剂；亲油性；活化度；吸油值

随着石材行业的迅速发展，石材的加工伴随产生一系列的废石粉、废水浆，严重污染环境[1]，导致空气质量下降、土地资源浪费。近年来许多研究者对废石粉再利用技术进行初步探索，利用其作填充剂[2-3]、生产石粉砖[4]和仿生涂料[5]等。但由于石粉废料的粒径小、易团聚、活性高以及废料粉体与有机体的界面或表面性质不同，相容性差，使废料很难在有机体中均匀分散，导致复合材料的力学性能下降[6]，从而使废料的再利用受到限制。

粉体的表面改性是指表面改性剂在粉体颗粒表面的包膜、包覆、吸附或反应[7-9]。目前比较常用的表面改性剂分类主要有：表面活性剂、偶联剂、有机硅、不饱和有机酸及金属氧化物及其盐等。前人[10-11]研究利用纳米TiO2对粉体进行表面改性，但纳米TiO2成本较高。所以，研究经济型的无机粉料表面改性剂迫在眉睫。

结合无机粉体的表面改性方法、改性剂和改性工艺，研究钛酸酯偶联剂对石粉废料的改性效果，探索出石粉无机废料的表面改性优化方法，拟制出亲油疏水性且与有机溶剂相容性较好的无机粉料，能扩大其应用范围。

1　实　验

1.1石粉废料的改性机理

采用钛酸酯偶联剂对石粉废料进行表面改性，钛酸酯偶联剂与石粉颗粒的连接方式主要有两种[11]。一种为物理吸附，另一种是化学吸附，即石粉无机废料表面的羟基与钛酸酯偶联剂的羟基反应，使石粉废料由亲水性转为亲油性，达到有机单体与无机粉体的亲和性改善。

1.2实验工艺流程

钛酸酯偶联剂对石粉无机废料的改性工艺流程图如图1所示：

图1　石粉废料的改性工艺Fig.1　Modification process of stone powder

2　结果与讨论

2.1钛酸酯偶联剂对石粉亲油性的影响

改性石粉废料亲油性分析，如图2所示。

图2　石粉亲油性Fig.2　Lipophilic resistance of stone powder

未改性石粉废料在水中处于完全分散状态，在环己烷中处于悬浮状态，亲油性较差；改性后的石粉废料能够较好分散在环己烷中，而在水中处于悬浮状态。这是由于经过表面改性后的石粉废料表面有一层致密的有机硅膜，与油性体系的亲和性较好，因此能实现与有机溶剂较好相容。

2.2钛酸酯偶联剂的用量对石粉活化度的影响

活化度是对改性效果好坏的一个评价指标，活化度越高，说明改性效果越好，根据这个评价指标，得出以下实验结果，如图3所示。

图3　偶联剂用量对石粉活化度的影响Fig.3　The influence of the dosage of coupling agent on the activation of stone

由图可知，在研究范围内，石粉无机废料质量一定的条件下，随着钛酸酯偶联剂掺量的增加，石粉废料的活化度先增大后减小。钛酸酯偶联剂用量小于0.10 g前，活化度急剧增大。这是由于表面改性后的石粉废料由亲水性变为亲油性，对水呈现出较强的非润湿性；当偶联剂掺量大于0.10 g ，石粉活化度出现减小趋势。这表明改性剂钛酸酯偶联剂与石粉无机废料的存在一定的结合局限性。当偶联剂掺量较大时，过多的偶联剂之间出现耦合。可见，偶联剂掺量为0.12 g时石粉活化度最佳为91.60%，钛酸酯偶联剂的最佳掺量为2%。

2.3钛酸酯偶联剂的用量对石粉吸油值的影响

吸油值是是检测改性效果好坏的一个因素，吸油值越小则改性越好，石粉无机废料的填充量就越大。本文继而研究改性石粉废料的吸油值，如图4所示。

图4　偶联剂用量对石粉吸油值的影响Fig.4　Dosage of coupling agent on the oil absorption value of stone

由图4可知道随着偶联剂量掺量增高，吸油值明显降低，当吸油值降低到20%左右时就不再变化。说明改性后粉体表面附着偶联剂，呈现非极性，增加其在有机体中的润湿性。由以上实验得出偶联剂的最佳掺量为2%。

2.4红外光谱图分析

分别对未处理和处理过石粉废料进行红外分析。

图5　改性前后石粉废料的红外光谱Fig.5　Infrared pedigree chart of modified and unmodified stone powder

由红外谱图可知，改性前后石粉废料的红外光谱曲线差别较大。改性后石粉废料在3460 cm-1处的H-O伸缩振动峰的强度明显下降；在2720 cm-1出现较强饱和C-H振动伸缩峰；在1250 cm-1处出现R-O-R吸收峰。而未改性石粉废料在3460 cm-1处出现较强的H-O伸缩振动峰。可见，改性后石粉废料表面覆盖一层单分子膜，减弱了石粉颗粒间的吸附作用。

3　结　论

(1)钛酸酯偶联剂改性后的石粉废料具有较好的亲油性，能够较好地分散在环己烷中，而在水中处于悬浮状态。

(2)钛酸酯偶联剂掺量的增加，石粉无机废料的活化度先增大后减小。当偶联剂掺量为2%时，石粉废料的活化度最佳为91.60%。

(3)偶联剂掺量小于2%时，石粉废料的吸油值出现大幅度减小。而偶联剂掺量大于2%时，偶联剂掺量对石粉吸油值影响较小。

(4)经2%的钛酸酯偶联剂改性后的石粉无机废料的红外光谱图出现明显的峰值变化。废料表面有效键合了其他有机化学键，实现了与有机溶剂的聚合。

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Research Progress on Titanate Coupling Agent Modification of Powder Inorganic Fillers*

LIZhi,ZHUXing-mao,PANLing,LIJiao,NONGFang-hong,ZHANGYong-lan

(College of Chemical Engineering, GuiZhou University of Engineering Science, Guizhou Bijie 551700, China)

The titanate coupling agent modification effect of powder waste was mainly studied, composite modification technique was introduced to explore the influence of dosage of titanate coupling agent on the lipophilicity, oil factor and activation degree of powder waste, modification effects by infrared spectrum analysis. Modified powder waste had good hydrophilic, lower oil absorption value, activation degree reached 91.60%, and effectively bonded on the surface of other organic chemical bonds.

powder waste; titanate coupling agent; lipophilicity; activation grade; oil factor

2015年省级大学生创新创业训练计划项目(201510668001)。

李直(1995-)，男，本科生，专业方向：无机材料。

潘玲，女，讲师，从事无机材料研究。

X781.3

A

1001-9677(2016)018-0078-03