胡應(yīng)模，于夢蘭

（1.中國地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

1 前言

電氣石是一類具有壓電性和熱電性的天然硅酸鹽礦物[1-2]，在溫度、壓力變化的情況下，電氣石晶體易產(chǎn)生電勢差，使周圍的空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生的空氣負(fù)離子易移動(dòng)，將負(fù)電荷輸送給細(xì)菌、灰塵、煙霧等微粒，電荷與這些微粒結(jié)合，能達(dá)到凈化空氣，改善人們生活環(huán)境的目的[3]。20世紀(jì)90年代末，日本率先開創(chuàng)了電氣石在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療保健、日用化工、建筑裝潢、水質(zhì)處理、空氣凈化、節(jié)能、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及屏蔽電磁輻射等各個(gè)新領(lǐng)域的應(yīng)用[4-5]，其效果優(yōu)于其他礦物(如沸石、硅藻土等)，是頗受歡迎的環(huán)境友好材料[6]。

但因電氣石粉體具有親水性的極性表面，與高分子聚合物表面性能差異較大[7-8]，使之不易在高分子聚合物中分散穩(wěn)定，從而影響復(fù)合材料的綜合性能[9]。對(duì)電氣石粉體進(jìn)行表面有機(jī)化改性，提高其與高分子聚合物基體的相容穩(wěn)定性，對(duì)開拓電氣石的應(yīng)用領(lǐng)域及功能復(fù)合材料的開發(fā)均具有極其重要的意義；本小組曾以span60、鋁酸酯等為改性劑對(duì)電氣石的表面改性進(jìn)行過初步探討[10-11]，明顯改善了電氣石表面的疏水性。本文以硬脂酸鈉為改性劑，對(duì)電氣石表面的有機(jī)化改性條件進(jìn)行了探討,并對(duì)改性電氣石的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料與儀器

超細(xì)電氣石粉，粒度為8000目(d501.75μm，d975.23μm)，純度為98%，河北省靈壽縣燕新礦產(chǎn)加工廠產(chǎn)品；硬脂酸鈉(RCOONa)，化學(xué)純，西隴化工股份有限公司；無水乙醇，分析純，北京化工廠；丙酮，分析純,北京化工廠。

Spectrum 100系列傅立葉變換紅外光譜儀，玻金埃爾默儀器(上海)有限公司；D/max-rA 12kw X-射線衍射儀，日本Rigaku分公司； S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本HITACH公司；DSA 100M光學(xué)接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

2.2 試驗(yàn)操作

在三口燒瓶里加入10g電氣石粉體和配好的硬脂酸鈉乙醇溶液，在恒溫水浴中開動(dòng)攪拌反應(yīng)一定時(shí)間；將反應(yīng)混合液進(jìn)行抽濾，用丙酮洗滌3次，干燥即得改性電氣石。

2.3 接觸角的測定

用壓片機(jī)將樣品壓制成圓餅狀試樣，用毛細(xì)管在試樣上滴一滴蒸餾水，用DSA100M光學(xué)接觸角測量儀測量接觸角，測試三次取平均值。改性電氣石粉體與水的接觸角越大,說明改性效果越好[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電氣石改性效果的影響

硬脂酸鈉為1%(占干物料百分比)，改性溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間對(duì)電氣石改性效果的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，改性電氣石的接觸角不斷增加，當(dāng)增加到30min時(shí)，接觸角出現(xiàn)最大值，隨后稍有下降，并趨于平緩，所以本試驗(yàn)的最佳反應(yīng)時(shí)間為30min。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電氣石改性效果的影響

3.2 反應(yīng)溫度對(duì)電氣石改性效果的影響

硬脂酸鈉為1%(占干物料百分比)，改性時(shí)間30min時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)電氣石改性效果的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的升高，接觸角不斷增大，當(dāng)溫度升至60℃時(shí)，接觸角出現(xiàn)最大值，隨后逐漸下降，因此最佳改性溫度為60℃，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物接觸角超過120°，顯示了優(yōu)良的疏水性。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)電氣石改性效果的影響

3.3 改性劑用量對(duì)電氣石改性效果的影響

改性溫度60℃、改性時(shí)間30min時(shí)，硬脂酸鈉的用量對(duì)電氣石的改性效果得影響如圖3所示，由圖3可知，隨著硬脂酸鈉用量不斷增加，產(chǎn)品的接觸角不斷增加，當(dāng)用量達(dá)到7%時(shí)，接觸角達(dá)到127°，隨后又呈下降趨勢，即硬脂酸鈉的最佳用量為電氣石的7%。

圖3 硬脂酸鈉用量對(duì)電氣石改性效果的影響

3.4 紅外光譜分析

硬脂酸鈉改性前后電氣石粉體的紅外譜分析如圖4所示。其中圖4(a)為未改性電氣石紅外譜圖，可看出，在3568cm-1處的吸收峰為羥基的吸收峰，1276cm-1為B-O鍵的振動(dòng)吸收峰，983cm-1為Si-O的振動(dòng)吸收峰；圖4(b)為硬脂酸鈉改性電氣石的紅外譜圖，除在2919cm-1和2849cm-1處出現(xiàn)了烷基的特征峰外，電氣石特征吸收峰未發(fā)生變化，但與未改性得電氣石(圖4a)相比，均向低波數(shù)發(fā)生了幾個(gè)波數(shù)的位移，表明硬脂酸鈉與電氣石粉體表面之間發(fā)生了化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)，在電氣石表面引入了長鏈烴基。

圖4 改性前后電氣石的紅外光譜圖

3.5 掃描電鏡分析

硬脂酸鈉改性前后電氣石的掃描電鏡(SEM)結(jié)果如圖5所示，由圖5(a)可看到，改性前電氣石有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，而圖5(b)表明，經(jīng)硬脂酸鈉改性后電氣石的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，顯示了較好的分散性。這是因?yàn)楦男郧半姎馐癁橛H水性表面，較強(qiáng)的極性使電氣石粉體容易產(chǎn)生團(tuán)聚，經(jīng)硬脂酸鈉改性后，電氣石表面的疏水性增強(qiáng)，極性減弱，所以團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，而表現(xiàn)出較好的分散性。

圖5 掃描電鏡照片

3.6 XRD分析

圖6為改性前后電氣石的XRD圖。由圖6可以看出，改性前后電氣石的峰型及強(qiáng)度幾乎完全一致，說明硬脂酸鈉對(duì)電氣石的改性只改善電氣石表面的疏水性，而沒有破壞電氣石的晶體結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)影響電氣石原有的物理性質(zhì)。

圖6 改性前后電氣石的XRD圖

4 結(jié)論

由上述試驗(yàn)結(jié)果表明，硬脂酸鈉改性電氣石粉的最佳條件為：無水乙醇為溶劑、硬脂酸鈉用量為電氣石粉的7%、60℃下反應(yīng)30min，所得產(chǎn)物的接觸角超過125°，顯示了優(yōu)良的疏水性；產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析表明,硬脂酸鈉對(duì)電氣石粉體表面改性,只改善了電氣石粉體表面的疏水性，而沒有影響電氣石原有的晶體結(jié)構(gòu)。

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