超細、活化粉石英/環(huán)氧樹脂復合填料生產(chǎn)工藝研究

王撫撫,周佳瑋,陳瑞娥

(1. 放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室, 江西 南昌 330013；2. 東華理工大學化學生物與材料科學學院, 江西 南昌 330013；3. 江西財經(jīng)大學, 江西 南昌 330013)

超細、活化粉石英/環(huán)氧樹脂復合填料生產(chǎn)工藝研究

王撫撫1 ，2,周佳瑋1 ，2,陳瑞娥3

(1. 放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室, 江西 南昌 330013；2. 東華理工大學化學生物與材料科學學院, 江西 南昌 330013；3. 江西財經(jīng)大學, 江西 南昌 330013)

粉石英是環(huán)氧樹脂絕緣封裝中不可缺少的填充材料，然而粉石英與環(huán)氧樹脂的混合物在固化過程中會產(chǎn)生交聯(lián)力，導致制品出現(xiàn)開裂，嚴重影響使用壽命。文章通過新工藝對粉石英進行增韌處理，旨在消除固化過程中的內(nèi)應力，提高防裂等性能。通過試驗測試對增韌粉石英的外觀、白度、黏度、浸潤性、吸油量等性能進行分析，為后續(xù)研究和工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎資料。

粉石英；固化過程；新工藝；增韌處理

粉石英[1-3]在絕緣封裝材料中的主要作用有：抑制環(huán)氧樹脂固化過程的反應熱、延長環(huán)氧樹脂混合物的試用期、降低環(huán)氧固化物的收縮率和熱膨脹系數(shù)、改善固化物的耐熱性和耐電弧性、提高固化物的抗壓強度和耐磨損性、降低生產(chǎn)成本等。然而粉石英與環(huán)氧樹脂的混合物在固化過程中容易產(chǎn)生熱應力和交聯(lián)力，這些應力往往會集中在填料與樹脂的接觸界面上，導致產(chǎn)生微裂紋，致使材料變脆，抗沖擊強度、耐熱沖擊性和斷裂韌性降低。在固化過程中，常因傳統(tǒng)工藝條件控制不當，致使制品表面出現(xiàn)裂縫，嚴重地影響生產(chǎn)和使用壽命。

石英進行活化增韌處理[4]。其原理是在粉石英表面包覆一層具有柔性鏈段的增韌劑，使剛性填料顆粒表面柔性化。在環(huán)氧樹脂固化體系[3-5]中，粉石英與環(huán)氧樹脂之間形成一個柔性應力緩沖層，起傳遞、吸收和消除應力作用，從而達到增韌環(huán)氧樹脂的目的，為今后開展擴大試驗和實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎資料。

1 加工流程

粉石英為本文研究開發(fā)活化、增韌粉石英的增韌基體材料[5-7]，其加工過程主要為：粉石英原礦--非活性石英粉--活性石英粉，活性粉石英其本質是在非活性粉石英的表面進行活化處理，即在粉石英表面包覆一層雙功能有機高分子材料-偶聯(lián)劑分子結構中含有兩個性質截然不同的官能團。其加工工藝流程圖1、2所示。

圖1 非活性粉石英加工流程圖

1.1 粉砂分離

粉狀石英礦是細分散狀的硅砂和硅粉組成的混合體，反映在粒度頻率分布曲線上，呈現(xiàn)典型的“雙峰態(tài)”特征。在工業(yè)生產(chǎn)中多選用100至160目的篩進行濕法分離，硅砂作為尾礦廢棄；(2)脫泥提純：配制一定濃度的礦漿，采用攪拌和機械擦洗的方法，使顆粒表面之間產(chǎn)生自摩擦，使得黏土、植物碎屑與硅粉充分分散、分離，再加入選礦助劑，使得粉石英沉底，黏土礦物懸浮在水溶液中，排去泥漿懸浮液，得到提純粉石英；(3)超細分級：采用多級分選池和水力旋流器，主要的分級產(chǎn)品有400目、600目和800目，本文選取的增韌對象為400目粉石英。

圖2 活性粉石英加工流程圖

1.2 預熱干燥

確保粉石英達到活化處理所需要的溫度和水份含量；(2)改性助劑的添加：調(diào)整粉石英的表面電位，使之與偶聯(lián)劑更好的鍵合，提高活化效果；(3)偶聯(lián)劑的配制：配制偶聯(lián)劑實質是稀釋的過程，稀釋后的偶聯(lián)劑更有利于在粉石英表面上形成單分子膜；(4)篩分除渣：采用旋轉風力篩除去活化處理后產(chǎn)生的聚合團粒，保證產(chǎn)品的細度。篩選出來的粉石英就是活性增韌的基體--活性粉石英。

2 增韌處理

粉石英的增韌是利用其表面高的活性、對同性質的物質具有較強吸附能力的特性，吸附有機增韌劑，在粉石英表面包覆一層增韌劑，從而達到增韌的目的。增韌劑在粉石英表面發(fā)生吸附是一種界面作用，這種界面作用主要取決于粉石英和增韌劑的結構、性質和相互接觸的活性質點(離子、原子、或分子)數(shù)。粉石英是一種強極性礦物，對偶極水分子具有較強的吸附性，而增韌劑對水也有較好的親和性，所以粉石英表面與增韌劑能夠發(fā)生吸附作用，形成有效的增韌包覆。

2.1 試驗方案

粉石英增韌處理的基本條件是在前期探索試驗結果的基礎上確定的，其主要參數(shù)設定情況如表1所示。

表1 增韌處理參數(shù)設定情況表

粉石英增韌處理的方法主要有干法和濕法兩種。濕法工藝復雜，且用有機溶劑做稀釋劑時成本高，故在工業(yè)化生產(chǎn)中很少使用。本文采用干法工藝，在干態(tài)下通過高速混合處理，達到表面包覆改性的目的，其工藝流程如圖3所示。

圖3 活性粉石英增韌處理工藝流程圖

2.2 預熱處理

破壞粉石英表面的水化層并使之變薄并提高表面能。

2.3 增韌條件的控制

對溫度、時間和速度等條件進行控制，可以有效的提升增韌效果。

溫度的高低對增韌效果有很大的影響，溫度過低，粉石英表面的活化能低, 對增韌劑的吸附作用弱，溫度過高，則可能是增韌劑失效(碳化所致)；增韌處理時間不宜過短，會使增韌劑不能充分與粉石英接觸，導致吸附不均勻，影響增韌效果，時間越長，增韌劑與粉石英接觸時間長，吸附能充分進行，增韌效果好。但是時間過長，影響產(chǎn)量，成本上升；速度是增韌劑處理的攪拌速度，目的是使粉體充分分散，更好地與增韌劑接觸，所以提高速度有利分散，增韌效果好。

3 性能測試分析

3.1 外觀

增韌粉石英外觀感覺具"潮濕"性，手捏成團，分散性不好，這是因為粉石英的黏度較大且不具揮發(fā)性的油脂狀液體增韌處理后產(chǎn)生的結果。

3.2 白度

測試儀器WSD-3型全自動白度計，蘭光白度值F457。測試結果如表2所示。

表2 增韌粉石英白度測試結果表

由表2可以看出，經(jīng)過增韌處理后，白度值有所下降，一般在1.97～9.01度之間，下降幅度為3.00%～13.73%。隨著處理的溫度升高，時間延長和速度提高，白度呈下降趨勢，其中溫度和時間的影響最明顯。

3.3 黏度

測試儀器NDJ-1型旋轉式黏度計，混合介質1:1，測試溫度25℃，轉子轉速為12轉∕分。測試結果如表3所示。

表3 增韌粉石英黏度測試結果表

黏度的大小直接影響到填料的使用性能。對環(huán)氧樹脂混合體系來說，要求填料的黏度越低越好。由表3可以看出，經(jīng)增韌處理的粉石英黏度有明顯下降，下降幅度達23-50%，原因是粉石英經(jīng)增韌處理后，表面覆蓋了一層增韌劑，從而改善了與液體石蠟的相溶性，黏度隨之下降。

3.4 浸潤性

取一個直徑大于3cm、高度大于1cm的敞開小容器，裝入粉后用玻璃板或刮灰刀振實壓平，形成平整面，然后再用吸管吸取浸潤液，滴一小滴到粉平面上，同時開始計時，觀察記錄液滴完全滲透到粉中所需的時間。本試驗選用的浸潤液為液體石蠟和環(huán)氧樹脂，液體石蠟的浸潤試驗是在常溫下進行，環(huán)氧樹脂的浸潤試驗是在100℃左右的環(huán)境中進行。測試結果如表4所示。

表4 增韌粉石英浸潤性測試結果表

由表4可以看出，增韌后的粉石英相比原樣對液體石蠟和環(huán)氧樹脂的浸潤所需的時間要短得多，說明了增韌粉石英對有機樹脂的相溶性有顯著的改善。

3.5 吸油量

參閱HG4-564-79、GH1712-79，用天平稱取待測量樣若干，放于潔凈干燥的玻璃板上，用精度為0.1mL的滴管將油滴到粉體試樣上，并不斷攪拌，使粉料全部浸潤，用玻璃棒滾壓成一整體，玻璃板上不出現(xiàn)油跡和碎屑。增韌粉石英吸油率試驗選用液體石蠟，測試結果如表5所示。

表5 增韌粉石英吸油率測試結果表 %

由表5可以看出，經(jīng)增韌處理的粉石英的吸油率為20.04%～22.46%，比未增韌處理的粉石英的吸油率(25.87%)下降18%。隨增韌處理溫度和速度的升高吸油率下降，而隨處理時間延長，吸油率呈上升趨勢。吸油率與黏度、浸潤性呈正相關關系。

4 結語

目前關于粉石英在環(huán)氧樹脂材料中的應用研究并不是很多，本文通過新工藝對粉石英進行增韌改性，提高了粉石英填料具有良好的工藝性能，其與環(huán)氧樹脂的混合物在固化過程中產(chǎn)生熱應力和交聯(lián)力明顯減小。性能測試結果表明，改性粉石英填料與有機聚合物具有很好的相容性和親合性，不僅改善了填料與樹脂中的分散性和加工流動性，改性后的粉石英與樹脂混合體系的黏度明顯下降，而且提高填充制品的物理力學性能。明顯降低了實際產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

[1] 方鄴森，方金滿. 江西宜春粉石英的特征及用途[J].硅酸鹽通報，1989(5): 71-76.

[2] 陳泉水.粉石英表面改性及其作用研究[J].非金屬礦2001，24(2): 15-17.

[3] 王傳虎，葛金龍，曾小劍. 超細硅微粉表面改性的研究[J].非金屬礦，2009，32(4): 14-16.

[4] 李金濤，林金輝. 粉石英表面改性及其效果的表征[J].非金屬礦，2004，27(3): 16-17.

[5] 楊 濤，蔣述興.高純超細電子級石英粉的制備技術綜述[J].化工礦產(chǎn)地質，2006，28(3): 185-188.

[6] 林金輝，張 帆，李金濤.幾種偶聯(lián)劑改性粉石英的改性效果比較研究[J].化工礦物與加工，2007，36(7):12-16.

[7] 王江濤，于 源，劉家祥. 利用石英粉體休止角表征其團聚狀態(tài)的研究[J].北京化工大學學報，2012，39(5): 49-52.

(本文文獻格式：王撫撫,周佳瑋,陳瑞娥.超細、活化粉石英/環(huán)氧樹脂復合填料生產(chǎn)工藝研究[J].山東化工，2016，45(12)：9-11.)

Research on Manufacturing Process of Composite Fillers of Superfine and Activated Powder Quartz/Epoxy

Wang Fufu1， 2,Zhou Jiawei1 ，2,Chen Ruie3

(1.School of Chemistry，Biology and Materials Science,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2. Key Laboratory for Radioactive Geology and Exploration Technology，F(xiàn)undamental Science for National Defense,Nanchang 330013,China;3.Jiangxi University of Finance and Economics,Nanchang 330013,China)

The powder quartz is an indispensable filling material in Epoxy-insulated encapsulation, but the mixture of powder quartz and epoxy will produce thermal stress and crosslinking in curing process and the products being prone to crack, so that it makes a great differences in working life. In the paper, the new technology of powder quartz to toughening treatment and the intent is stress relief in curing process and increases performance of anti-crack. Then performance analysis of powder quartz which toughened by experiment, including appearance, whiteness, viscosity, wettability, oil absorption. Finally, basic data was provided for further research and industrial production.

powder quartz; curing process; new technology; toughening treatment

2016-04-20

江西省教育廳科技項目，No: GJJ14468；江西省研究生創(chuàng)新專項基金，No:YC2015-S275；

王撫撫(1990—)，江西撫州人，在讀碩士研究生，研究方向：材料學。

TQ330.38

A

1008-021X(2016)12-0009-03