矿物粉体经表面改性后,其改性效果的检测评价主要用以下几种方法。
一、应用结果评价法
应用结果评价法,是将经改性后的粉体应用于目标产品或体系中,直接检测最终产品性能的变化,它是对粉体表面改性效果最直接的评价。这种方法虽然人力财力耗费大,但由于可靠性高,因此在一些研究或生产应用中被广泛采用。
二、预先评价法
该法是对改性产品的一些物化性质和表面特征进行测试,比较粉体改性前后指标的变化,对改性产品的改性效果进行预先评价,其主要方法有:
1.润湿性评价法
无机填料用有机表面改性剂处理后,表面由极性变为非极性,表面能降低,对水呈现出较强的非浸润性特性,而对非极性的有机物则呈现出相容性。因此,接触角、渗透时间(透水速度)、吸油率、活化指数等指标是评价粉体与聚合物之间相容性好坏的主要指标之一,润湿性好的粉体,填加到聚合物中的流动性好,易于分散,混料容易且均匀,不易出现颗粒的团聚。
(1)测定界面接触角
改性粉体在极性液体中的接触角越大,在非极性液体中的接触角越小,即粉体表面疏水性越强,改性效果越好。通常用接触角测定仪测定其接触角,方法是压片直接测量法,即将矿物粉体压实成块或片,在接触角测定仪上直接测量。测定润湿接触角的方法还有很多,但可靠的却很少。
(2)测定透水速度
由于接触角难以准确测定,因此,在研究中也常采用一些简便的方法来测定试样的疏水性或润湿性,如测定其透水速度。具体做法是将未改性和改性后的试样在精密压力机上压制成块,然后在每块试样上滴加相同量的蒸馏水,测定其浸透时间。一般来说,经有机物表面改性后试样的透水速度大大低于末改性试样。因此,透水速度可作为试样改性效果的相对指标。
(3)测定分散性
通过试样在极性溶剂(如水)和非极性溶剂(如苯)中的分散性来相对比较表面改性的结果,因为无机粉体物料经有机表面改性剂包覆后在水中的分散性变差,而在苯中的分散性变好。
(4)测定吸油率
其方法是,在玻璃捧搅拌下,将蓖麻油通过滴定管加入到已知量的粉体中,当粉体刚好黏结成球团时,记录此时的用油量。吸油率=蓖麻油用量/粉料用量。
(5)活化指数
对于用有机表面改性剂如非离子型表面活性剂处理后的无机填料或颜料,还可采用“活化指数”来表征表面处理的效果。无机填料或颜料物体一般相对密度较大,而且表面呈极性状态,在水中易自然沉降。而有机表面改性剂是非水溶性的表面活性剂,经表面改性处理后的无机粉体,表面由极性变为非极性,对水呈现出较强的非浸润性。这种非浸润性的细小颗粒,在水中由于巨大的表面张力,使其如同油膜一样漂浮不沉。根据这一现象,提出“活化指数”的概念,用H表示,H=漂浮部分质量/样品总质量。可见,未经表面活化(即改性)处理的无机粉体,H=0,活化处理最彻底时,H=1.0。H由0~1.0的变化过程,可反映出表面活化程度由小至大,也即表面处理效果好坏的情况。在无机填料的有机表面改性工艺中,表面改性剂的种类和用量对填充体系的性能有显著影响,改性剂的用量可参考“活化指数”来确定。所谓最佳用量,即是表面改性剂在填料颗粒表面上覆盖单分子层的用量,大于此量,则将形成多层物理吸附的界面薄弱层,从而引起被填充物的强度下降;低于最佳用量,则填料颗粒表面改性处理不完全。因此,活化指数可作为表面改性活性无机填料等粉体的一项质量指标,为用有机表面改性剂处理无机填料或颜料提供了一种快捷、实用、可靠的产品质量检验方法。
2.表面自由能评价法
绝大多数矿物粉体都具有较大的表面自由能,粉体表面经改性附着后,表面能都要降低,可由此来评价改性效果。
3.测定表面结构和成分的方法
表面分析常用的实验方法主要是一些能谱方法和量子力学效应的显微技术。这些能谱按其物理过程可分为电子能谱、离子能谱、光谱、声子谱、热分析等。主要研究表面结构、原子位型、化学键特性等,主要方法有:
(1)红外光谱
红外光谱法在粉体表面改性效果研究中是一种极其重要的手段。只要表面存在某种官能团或化学键,在其红外光谱图中就有相应的特征吸收峰。如矿物粉体用偶联剂在不同条件下处理后,偶联剂分子可以吸附或覆盖在矿物表面,对矿物结构中各种基团的振动能级基本上不产生影响,如果偶联剂分子与矿物表面发生化学键合,则会产生新的能级,并导致其红外光谱变化或形成新的吸收峰。只有当偶联剂分子与矿物表面形成化学键,才能产生较好的改性效果。因此,对改性前后的粉体样品进行红外光谱分析,根据对应特征峰的变化,就可以揭示改性剂与矿物表面键合的类型和性质。
(2)X射线衍射分析
X射线衍射分析是研究固体物质结构变化的最为重要的方法。经改性处理尤其是利用机械力化学改性法处理的矿物粉体,不仅表面性质发生变化,其内部结构或晶型也会随之变化,用X射线衍射分析研究改性效果,可得到详细的信息。
(3)其他方法
热分析、表面分析新技术(如电子能谱等)在揭示改性剂与粉体表面作用机理方面,都是一种有效的手段。