陽離子表面活性劑對電氣石表面改性效果的探討

胡應模，卞 江，吳正明

（1.中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083；2.巖石礦物材料國家專業實驗室, 北京 100083）

【試驗研究】

陽離子表面活性劑對電氣石表面改性效果的探討

胡應模1,2，卞 江1，吳正明1

（1.中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083；2.巖石礦物材料國家專業實驗室, 北京 100083）

本文選擇了三種陽離子表面活性劑為改性劑，對電氣石粉體的表面改性效果進行了探討，試驗結果表明，與反應性試劑、偶聯劑、非離子表面活性劑及陰離子表面活性劑等改性劑相比，陽離子表面活性劑對電氣石的表面改性效果明顯較低，為電氣石表面改性及其綜合利用提供了明確的參考信息。

電氣石；陽離子表面活性劑；表面改性；接觸角

電氣石(Tourmaline)是一種具有獨特功能的礦物材料，在其顆粒周圍存在靜電場，永久性自發極化效應使其具有熱電性、壓電性、天然電極性、輻射紅外線以及釋放負離子等性能，被廣泛地應用于環境保護、醫療保健、電磁屏蔽、建材等領域[1-4]，它被譽為21世紀改善環境、促進人體健康的全新材料[5]。

許多國家和地區正在對電氣石進行深入的研究，以期研發出功能型產品[6-7]，而目前興起的有機—無機復合材料的研發恰給這一功能型無機礦物材料的應用開發提供了新的途徑，但是電氣石粉體是極性親水性的表面結構，與聚合物表面性能差異較大，難以直接牢固結合，使得電氣石在非極性聚合物中分散穩定性差，導致電氣石/聚合粉復合材料的力學性能下降，從而影響其綜合性能。為提高電氣石與聚合物樹脂基體的相容性和分散穩定性，制備性能優良的功能復合材料，需要對電氣石的表面進行有機化改性，因此，近年來電氣石表面的有機改性受到了人們的廣泛關注[8-10]。

本課題組以電氣石的表面改性及其復合材料為研究方向獲到國家自然基金資助，本文首先對反應性試劑[11]、偶聯劑[12-13]、非離子表面活性劑[14-15]以及陰離子表面活性劑[16]等不同類型的改性劑對電氣石的表面改性效果及其機理進行了系統的探討，得到了分散性、疏水性能優良的有機化改性電氣石。為了系統探討電氣石的表面改性規律，本文選擇了幾種陽離子表面活性劑對電氣石的表面改性效果進行了探討。

1 試驗部分

1.1 試劑及儀器

超細電氣石粉，粒度8 000目(d50＝1.75μm，d97＝5.23μm)，純度為98%，河北省靈壽縣燕新礦產加工廠產品；鋁酸酯偶聯劑(LD-B)，揚州立達樹脂有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，西隴化工股份有限公司；苯溶液，分析純，北京化工廠；液體石蠟，化學純，天津市福晨化學試劑廠；十二烷基三甲基氯化銨，工業品，上海金山經緯化工有限公司；十六烷基三甲基氯化銨，工業品，汕頭市西隴化工廠；雙十八烷基二甲基氯化銨，工業品，天津樂泰化工有限公司。

DSA100M光學接觸角測量儀，上海中晨數字技術設備有限公司；Spectrum 100系列傅立葉變換紅外光譜儀，玻金埃爾默儀器(上海)有限公司生產；S-450型掃描面子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 試驗方法

稱取5.0g電氣石粉加入四口燒瓶中，加入50mL溶劑(水)和一定量的陽離子表面活性劑，在適當的溫度下反應一段時間后，用無水乙醇洗滌三次，真空抽濾，烘干研磨待用。

1.3 測試與表征

1.3.1 表面接觸角

表面潤濕性的變化直接決定粉體在液體介質中的分散與聚團行為。改性粉體與水的接觸角越大，說明改性效果越好[6]。因此，通過比較接觸角，可對改性效果進行有效的評價。本文以水為介質，對改性前后電氣石粉體壓片， 用上海中晨數字技術設備有限公司生產的JC2000C接觸角測量儀測量其與水接觸角的變化，從而評價改性效果的好壞。

1.3.2 IR分析

經KBr晶體壓片，用玻金埃爾默儀器(上海)有限公司生產的Spectrum100系列傅立葉變換紅外光譜儀，對改性前后的電氣石粉進行紅外光譜分析，掃描范圍4 000～400cm-1。

1.3.3 SEM分析

將改性和未改性的電氣石粉分別分散于DMF中，制樣， 用日本日立公司生產的S-450型掃描電子顯微鏡觀察其形貌。

2 結果與討論

2.1 工藝條件的優化

通過對改性電氣石的接觸角的檢測，考察了反應溫度、改性劑用量及反應時間對電氣石改性效果的影響。

2.1.1 反應溫度

反應溫度對改性效果的影響如表1所示，表1的試驗數據看出，隨著反應溫度增加，三種陽離子表面活性劑改性電氣石的接觸角均具有先增加后降低的趨勢，盡管在60～80℃具有最佳值，但是接觸角均較小，仍表現為親水性，說明陽離子表面活性劑對電氣石的改性效果不佳。

表1 不同改性溫度下電氣石樣品的接觸角數據

2.1.2 改性劑添加量

不同陽離子表面活性劑的用量對電氣石的改性效果的影響如表2所示，從表2的試驗數據可以看出三種陽離子表面活性劑的用量對電氣石的改性效果沒有明顯影響，且所得產物的疏水性能較差，即陽離子表面活性劑的用量。

表2 不同改性劑添加量電氣石樣品的接觸角數據

2.1.3 改性時間

反應時間對陽離子表面活性劑的改性效果的影響如表3，表3的數據表明，反應時間的改變沒有改善陽離子表面活性劑對電氣石的改性效果，所得產物的疏水性能較差。

表3 不同改性時間電氣石樣品的接觸角數據

上述條件試驗結果表明，與反應性試劑[11]、偶聯劑[12-13]、非離子表面活性劑[14-15]及陰離子表面活性劑[16]等改性劑相比，陽離子表面活性劑對電氣石的改性效果明顯較低，這可能跟電氣石的結構相關，電氣石表面有金屬離子(Na、Mg、Al等)和OH、F等，能與反應性試劑、偶聯劑、非離子及陰離子表面活性劑發生鍵合或吸附作用，在電氣石表面引入疏水性基團，而難以與陽離子表面活性劑產生有效的作用力，所以陽離子表面活性劑不適合于用來對電氣石進行表面改性。

2.2 IR分析

改性前后電氣石的IR譜如圖1所示，從圖1看出，2 900～3 000cm-1處均沒有吸收峰出現，表明電氣石表面沒有疏水性有機長鏈烴基，說明陽離子表面活性劑不能對電氣石表面進行有效的改性，這與上述結果一致。

圖1 改性前后電氣石的紅外光譜圖

2.3 SEM分析

為了進一步表征陽離子表面活性劑對電氣石的改性效果，采用SEM對改性前后的電氣石分別進行了表征，圖2為改性前后電氣石的SEM圖。

圖2 改性前后電氣石的SEM圖

從圖2a可以看出未改性電氣石的團聚現象較為嚴重，而陽離子表面活性劑改性后的電氣石圖2(b～d)的團聚現象有一定程度的改善，但團聚現象仍然較明顯，表明陽離子表面活性劑對電氣石的表面改性效果不明顯。

3 總結

本文以陽離子表面活性劑為改性劑在不同條件下對電氣石的改性效果進行了探討，試驗數據及分析表征結果表明，與反應性試劑、偶聯劑、非離子表面活性劑及陰離子表面活性劑等改性劑相比，陽離子表面活性劑對電氣石的改性效果明顯較低，為電氣石表面改性及其綜合利用提供了明確的參考信息。

[1]王光華，董發勤.電氣石的功能屬性及應用[J].中國非金屬礦工業導刊，2007(5)：9-11.

[2]張志湘，余麗秀，劉新海.電氣石深加工與應用技術研究現狀[J].中國建材科技，2007(5)：41-45.

[3]何登良，董發勤.電氣石的環境功能屬性及應用研究動態[J].中國非金屬工業導刊，2006(1)：10-14.

[4]魏健，劉渝燕，張開永.電氣石應用專屬性研究[J].非金屬礦，2003，26(1)：34-36.

[5]董發勤，何登良，袁昌來.電氣石的環境功能屬性及應用[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]任飛，韓躍新，印萬忠，等.電氣石的表面改性研究[J].中國非金屬礦工業導刊，2005(2)：17-19.

[9]王平，杜高翔，鄭水林，等.超細電氣石粉體的表面改性試驗研究[J].化工礦物與加工，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]邊靜，胡應模，楊雪，等.月桂酰氯對電氣石的表面改性及其結構表征[J].硅酸鹽通報，2011，30(5)：1142-1146.

[12]胡應模，熊佩，楊雪，等.鋁酸酯對電氣石的表面改性及其表征[J].高校地質學報，2011，17(9)：447-451.

[13]胡應模，楊雪，王清嶺，等.鈦酸酯對電氣石粉體的表面改性及表征[J].礦產綜合利用，2013(1)：69-72，77.

[14]楊雪，胡應模，朱建華，等.Span60對電氣石粉體的表面改性及表征[J].礦產綜合利用，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]胡應模，于夢蘭.硬脂酸鈉對電氣石的表面改性及其結構表征[J].中國非金屬礦工業導刊，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

本課題獲國家自然科學基金資助(項目編號：51072187)。