Bản thân bột silica là một chất phân cực và ưa nước. Nó có các đặc tính giao diện khác với ma trận polymer và có khả năng tương thích kém. Thường khó phân tán trong vật liệu nền. Vì vậy, việc biến đổi bề mặt của bột silica thường được yêu cầu. Thay đổi có mục đích các tính chất vật lý và hóa học của bề mặt bột silica theo nhu cầu của ứng dụng, từ đó cải thiện khả năng tương thích của nó với vật liệu polymer hữu cơ và đáp ứng các yêu cầu về độ phân tán và tính lưu động của nó trong vật liệu polymer.
Các yếu tố như chất lượng nguyên liệu thô của bột silica, quy trình biến tính, phương pháp biến tính bề mặt và chất biến tính, liều lượng chất biến tính, điều kiện quá trình biến tính (nhiệt độ biến tính, thời gian, pH và tốc độ khuấy) đều ảnh hưởng đến hiệu ứng biến đổi bề mặt của bột silica. Trong số đó, phương pháp sửa đổi bề mặt và chất biến tính là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả sửa đổi.
Chất lượng nguyên liệu bột silic
Loại, kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, nhóm chức bề mặt và các tính chất khác của bột silica ảnh hưởng trực tiếp đến sự kết hợp của nó với các chất biến tính bề mặt. Hiệu ứng biến đổi của các loại bột silica khác nhau cũng khác nhau. Trong số đó, bột silica hình cầu có tính lưu động tốt, dễ kết hợp với chất biến tính trong quá trình biến tính và có thể phân tán tốt hơn trong hệ thống polyme hữu cơ. Và mật độ, độ cứng, hằng số điện môi và các tính chất khác tốt hơn đáng kể so với bột silica góc.
Ví dụ, Huang Weizhuang và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bột silica khác nhau đến khả năng chịu nhiệt của tấm phủ đồng. Họ đã sử dụng bột silica vô định hình, bột silica tinh thể gần như hình cầu và bột silica nung chảy hình cầu làm chất độn để chuẩn bị các lớp mạ đồng và đo khả năng chịu nhiệt của các lớp mạ đồng. Khả năng chịu nhiệt và đặc tính giao diện. Kết quả cho thấy bột silica hình cầu tương thích tốt hơn với nhựa epoxy và tấm laminate phủ đồng đã chuẩn bị sẵn có khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
Nói chung, kích thước hạt của bột silica càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn, càng có nhiều vị trí hoạt động trên bề mặt và lượng chất biến tính được sử dụng cũng sẽ tăng lên. Ngoài ra, bột silica với các kích thước hạt khác nhau cũng có tác động nhất định đến hiệu suất của các sản phẩm hạ nguồn trong quá trình ứng dụng. Ví dụ, khi trộn bột silica với nhựa, sự phân bố kích thước hạt phải được kiểm soát chặt chẽ và không được quá lớn hoặc quá nhỏ. Nếu kích thước hạt quá lớn, hiệu suất ứng dụng làm đầy sẽ kém, trong khi nếu kích thước hạt quá nhỏ, độ nhớt của hệ thống nhựa sẽ tăng lên và tính lưu động sẽ kém đi. .
Phương pháp sửa đổi bề mặt và sửa đổi
Hiện nay, các phương pháp biến đổi bề mặt của bột silica chủ yếu là biến đổi hữu cơ, biến đổi vô cơ và biến đổi cơ hóa, trong đó phương pháp biến đổi được sử dụng phổ biến nhất là biến đổi hữu cơ. Khi hiệu ứng sửa đổi đơn lẻ không tốt, bạn có thể cân nhắc kết hợp sửa đổi hữu cơ với các phương pháp sửa đổi khác để sửa đổi tổng hợp.
Sửa đổi hữu cơ
Biến đổi hữu cơ là phương pháp sử dụng các nhóm chức trong chất hữu cơ để thực hiện hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và phản ứng hóa học trên bề mặt bột silica để thay đổi tính chất bề mặt của bột silica. Hiện nay, các chất biến tính hữu cơ được sử dụng phổ biến nhất là các chất liên kết silane, chủ yếu bao gồm amino, epoxy, vinyl, sulfide và các loại khác. Hiệu quả sửa đổi thường tốt, nhưng giá đắt. Một số nhà nghiên cứu sử dụng các chất biến tính tương đối rẻ tiền như aluminate, titanate và axit stearic để biến tính bột silica, nhưng hiệu quả biến tính thường không tốt bằng tác nhân liên kết silane. Do đó, kết hợp giữa lợi ích kinh tế và hiệu ứng biến đổi, sử dụng Khi sử dụng hai hoặc nhiều chất biến tính bề mặt để biến tính tổng hợp bột silica, hiệu quả biến tính thường lý tưởng hơn so với việc sử dụng một chất biến tính duy nhất.
Biến đổi vô cơ
Biến đổi vô cơ đề cập đến việc phủ hoặc kết hợp kim loại, oxit vô cơ, hydroxit, v.v. trên bề mặt bột silica để tạo ra các chức năng mới cho vật liệu. Ví dụ, Oyama và cộng sự. đã sử dụng phương pháp kết tủa để phủ Al(OH)3 lên bề mặt SiO2, sau đó bọc SiO2 đã biến tính bằng polydivinylbenzen để đáp ứng một số yêu cầu ứng dụng đặc biệt.
Biến đổi cơ hóa
Biến đổi cơ hóa học trước tiên đề cập đến việc sử dụng lực mài siêu mịn và các lực cơ học mạnh khác để kích hoạt bề mặt của các hạt bột để tăng điểm hoạt động hoặc nhóm hoạt động trên bề mặt bột silica, sau đó kết hợp các chất biến tính để đạt được sự biến đổi tổng hợp của bột silica.
Liều lượng điều chỉnh
Lượng chất biến tính thường liên quan đến số lượng điểm hoạt động (chẳng hạn như Si-OH) trên bề mặt bột silica và lớp đơn phân tử và độ dày lưỡng phân tử của chất biến tính bao phủ bề mặt. Khi lượng chất biến tính quá nhỏ, mức độ hoạt hóa bề mặt của bột silica biến tính sẽ không cao; khi lượng chất biến tính quá lớn, nó không chỉ làm tăng chi phí sửa đổi mà còn tạo thành một lớp vật lý nhiều lớp trên bề mặt bột silica biến tính. Sự hấp phụ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa bột silica và polyme hữu cơ tạo thành một lớp yếu, dẫn đến không có khả năng hoạt động như một cầu nối phân tử đơn lẻ.
Quá trình sửa đổi và tối ưu hóa điều kiện
Các quy trình biến đổi thường được sử dụng cho bột silica chủ yếu bao gồm biến đổi khô, biến đổi ướt và biến đổi hỗn hợp.
(1) Biến tính khô là biến đổi trong đó bột silica được phân tán trong thiết bị biến tính ở trạng thái tương đối khô và kết hợp với một lượng chất biến tính bề mặt nhất định ở nhiệt độ nhất định. Quá trình sửa đổi khô đơn giản và có chi phí sản xuất thấp. Đây hiện là phương pháp biến đổi bề mặt chính của bột silica trong nước và phù hợp với bột silica ở cấp độ micron.
(2) Sửa đổi ướt đề cập đến việc làm ướt bề mặt bột silicon trong điều kiện pha lỏng để giảm năng lượng liên kết của bề mặt, sau đó thêm một lượng chất biến tính bề mặt và phụ gia nhất định, khuấy và phân tán ở nhiệt độ nhất định để đạt được Bề mặt silicon sự biến đổi của bột vi mô. Quá trình biến đổi ướt có thể làm cho bột silica và chất biến tính dễ dàng phân tán hơn và kết hợp hoàn toàn hơn, làm cho quá trình biến đổi trở nên đồng đều hơn. Tuy nhiên, cần phải thực hiện các hoạt động khử nước tiếp theo, quy trình này phức tạp và tiêu thụ năng lượng cao, phù hợp hơn với các hạt siêu mịn có kích thước hạt nhỏ hơn 5 μm. Biến tính bột silic. Ngoài ra, độ hòa tan trong nước của chất biến tính cũng cần được xem xét trong quá trình biến tính ướt, bởi vì chỉ những chất biến tính có độ hòa tan trong nước tốt hơn mới có thể phân tán và tương tác tốt hơn với các nhóm Si-OH trên bề mặt bột silica.
(3) Sửa đổi hỗn hợp đề cập đến sự kết hợp giữa các quá trình biến đổi khô và ướt để cải thiện hơn nữa mức độ kích hoạt của bột silica. Ví dụ, Cao Jiakai và cộng sự. thực hiện sửa đổi theo hai bước thông qua quá trình khô và ướt. Nghĩa là, đầu tiên thông qua quá trình biến tính khô, γ-(2,3-epoxypropoxy)propyltrimethylsilane được sử dụng để tiến hành biến tính sơ bộ bột silica. Sửa đổi, và sau đó thông qua sửa đổi ướt, sử dụng N-phenyl-aminotrimethoxysilane để sửa đổi để thu được vi bột silica hoạt động. Kết quả cho thấy bột silica được tạo ra từ quá trình biến tính composite có hoạt tính cao, tính kỵ nước tốt, số lượng nhóm hydroxyl bề mặt nhỏ và có thể phân tán tốt hơn trong hệ thống nhựa.
Ngoài ra, để đạt được hiệu quả biến tính tốt của bột silica, cần kiểm soát nhiệt độ, độ pH, thời gian, tốc độ khuấy và các điều kiện xử lý khác trong quá trình biến tính.
Nhiệt độ biến tính là điều kiện quan trọng cho quá trình ngưng tụ, khử nước và hình thành liên kết cộng hóa trị mạnh giữa chất biến tính và bột silica. Nhiệt độ sửa đổi không được quá cao hoặc quá thấp. Nhiệt độ quá cao sẽ khiến chất biến tính bị phân hủy hoặc bay hơi, nhiệt độ quá thấp sẽ khiến chất biến tính bị phân hủy hoặc bay hơi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ phản ứng giữa chất biến tính và bột silica, ảnh hưởng đến hiệu quả biến tính.
Đối với các chất biến tính hòa tan qua dung môi, pH sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân. Thời gian biến tính dài hơn làm cho sự tương tác giữa chất biến tính và bột silica trở nên hoàn thiện và chắc chắn hơn; tốc độ khuấy thích hợp có thể làm cho chất biến tính và bột silica tiếp xúc hoàn toàn hơn và cải thiện sự phân tán của chất biến tính trong bột silica.
