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硅灰石 一种多功能的功能性填料

作者: tom123 时间:2022-07-06 12:31:10 阅读:53

硅灰石是一种天然存在的硅酸钙矿物,分子式为CaSiO3。在1700年代后期被称为板状晶石,它在1822年被命名为硅灰石,以纪念英国化学家和自然哲学家威廉·海德·沃拉斯顿。然而,硅灰石在1933年首次商业用途之前一直是一种好奇心,当时它在加利福尼亚被短暂开采,作为生产矿棉的原材料。直到1950年代,硅灰石才成为重要的工业矿物,在战后建筑热潮期间,硅灰石在涂料和陶瓷中的价值日益受到重视。

 

硅灰石结合了白色、针状(针状)晶体形状和碱性pH值,在非金属工业矿物中独树一帜。商业级通常纯度高,因为大多数矿石必须通过湿法处理和/或高强度磁选来去除副矿物。最常与硅灰石伴生的副矿物是石英、方解石(碳酸钙)、透辉石(硅酸钙镁)、石榴石(硅酸钙铁、硅酸铝钙)和葡萄石(硅酸铝钙)。这些杂质是根据以下通式通过二氧化硅和石灰石的接触变质形成硅灰石的自然结果。

CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2<

方解石石英硅灰石二氧化碳

推动商业开采矿床中硅灰石反应的热量由岩浆提供,岩浆还引入了铝、镁和铁以形成辅助矿物。

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结构和性质

1表明硅灰石的结构特征是重复的、扭曲的、三个二氧化硅四面体单元。这些二氧化硅四面体形成的链通过钙以八面体配位并排连接。由于这种链结构,硅灰石以针状晶体的形式生长,并在解理时保持针状。二氧化硅链的高密度解释了矿物的硬度,莫氏4.5-5。在自然界中,微量至微量的钙可以被铁、镁、锰、铝、钾和钠替代。烧失量,即1000oC时挥发物的重量损失,对于纯硅灰石来说非常低。商业产品的灼烧损失约为0.5%-2.0%,主要取决于残留方解石的含量。

与水接触的硅灰石表面会水解形成氢氧化钙,这是硅灰石浆液碱性的原因。硅灰石易被无机酸(尤其是盐酸)和某些有机酸(甲酸、乙酸、柠檬酸、乳酸)解离。酸溶解不完全形成硅胶。由于钙离子的释放,硅灰石在酸性溶液中具有很强的缓冲作用。

 

硅灰石等级

硅灰石的填料用途主要取决于矿石中硅灰石针状物的长度以及在成品研磨过程中保持这种形状的程度。硅灰石的针状特性是根据纵横比测量的-颗粒长宽比。硅灰石产品的主要分类基于粒度和形状。

将硅灰石加工成商业级通常需要选矿以减少或去除不需要的矿物质。矿石首先被充分压碎和研磨以分离矿物相。石榴石和透辉石是硅灰石矿石中常见的变色成分,具有弱磁性,可以用高强度磁选机去除。方解石必须通过浮选去除。

粉状硅灰石被研磨成低纵横比(3:1-5:1)。它们是在冲击磨机中生产的,通常是卵石磨或球磨机,可以有效地横向破碎矿物针。标准细磨填料等级为325目、400目和10微米标称顶部尺寸。

高纵横比(HAR)硅灰石等级经过仔细研磨,以确保保存和回收非常细的针状颗粒。这是通过空气磨机或锤磨机完成的。必要时,通过空气分离将低纵横比的细粉减至最少。HAR产品的纵横比在12:120:1范围内。各种等级的针头平均长度从长针产品中的200微米到微针产品中的20微米不等。图2是微针HAR硅灰石的显微照片。

粉末和HAR等级的硅灰石都可以通过硅烷和有机硅处理来提高与有机基质的相容性。这些等级在搅拌机中进行处理,使矿物与浓缩液处理均匀接触。随后在高温下干燥以确保完全反应并去除酒精副产物。

 

功能性填充颜料的演变

早在1940年代中期,硅灰石就被用作涂料的功能性填料。1950年,硅灰石被引用为涂料中的填料。矿物的吸引力包括白色、中等硬度和高自然亮度。1

1979年,一篇关于硅灰石及其在涂料体系中的适用性的综述指出,这种矿物作为一种有助于防锈、外部耐久性和保色性的填充颜料25多年来一直很重要。2这篇文章描述了一种研究比较了硅灰石与内部和外部乳胶漆中的各种增量剂。还报道了硅灰石在含有氧化锌的丙烯酸醇酸改性乳胶漆中的使用。使用400目硅灰石,氧化锌在不需要高分散剂的情况下得到稳定。注意到的两个好处是有效的原材料成本管理和更好的包装稳定性。在比较了多种乳胶漆中的增量剂后,作者得出结论,硅灰石具有以下特性。

基于其针状形状的多功能性,具有低光泽、薄膜强度和整体耐用性

适度的吸油性,提高PVC的贡献

干亮度高,色调更干净

中等硬度,耐擦伤和耐擦洗

碱性pH值,可能成为硅灰石最重要的特性之一,需要更少的氨并提高防锈和防霉性能

五年后,比较了多种功能性体质颜料对防腐环氧金属底漆性能的贡献。由于立法限制使用基于铅和六价铬的缓蚀剂,因此出现了新型钼酸盐、硼酸盐和磷酸盐缓蚀剂。由于吸油率高和效率低,这些都有自己的性能问题。检查PVC/CPVC比率以重新获得有效的腐蚀控制导致重新评估填充剂的选择。在所检查的九种体质颜料中,硅灰石是首选,因为它可以提高耐腐蚀性和抗起泡性,另外,这种矿物的环氧硅烷处理也带来了额外的改进。3

最近,报道了在耐腐蚀涂料中使用经反应性硅烷(例如氨基和环氧官能团类型)进行表面处理的硅灰石。在这篇文章中,描述了硅灰石作为与抑制性颜料的增效剂的作用。4虽然机制尚不完全清楚,但许多作者已经描述了硅灰石与大多数主要抑制性颜料的协同行为。已知的是,当与缓蚀剂组合使用时,硅灰石,尤其是经过表面处理的等级,使得缓蚀颜料能够比单独使用颜料更有效地进行整体腐蚀防护。一位作者在一项专注于水性环氧底漆和防腐颜料的研究中,

 

当增量剂包包含150/100加仑的处理过的硅灰石和防腐颜料含量为100磅时,PVC38-45%范围内,PVC/CPVC比率为0.6-0.9时表现出最佳的整体涂层性能/100加仑。

 

重涂性非常好。

 

达到了长期的盐雾和耐湿性预期。

 

PVC保持在>38%可抑制起泡和闪锈。

在过去的几年中,硅灰石已被用于各种耐腐蚀涂料中。虽然水性环氧树脂似乎占了上风,特别是因为配方趋势是减少VOC以符合环境要求,但丙烯酸共聚物系统正在使用硅灰石,水稀释性聚合物系统也是如此。

正在开发铬酸盐和磷酸盐颜料以提高抑制性金属底漆的有效性,特别是在洗涤底漆、飞机底漆和汽车底漆中。完全替代六价铬的性能仍然是一个挑战,尤其是在低负载情况下。由于铬酸锶仍然是许多系统的首选抑制剂,配方设计师希望硅灰石减少铬酸锶的用量,同时不牺牲防腐蚀保护。此外,磷酸锌已被用于帮助抵消对铬酸锶的依赖,并且在过去30年中已成为领先的无毒抑制颜料。例如,经过表面处理的硅灰石已成功用于改善磷酸锌在醇酸树脂中的性能。

 

在通过除抑制性颜料以外的方法实现耐腐蚀性的阻隔型配方中,表面处理的硅灰石已被证明是有效的。因为这些类型的系统提供的保护更多地与控制离子渗透性和粘合剂与填料表面的化学反应性有关,所以一个工作假设是,表面处理的硅灰石以其针状形状和通过其间发生的化学键有助于提高性能。表面处理和粘合剂.

 

多功能填料

除了用于腐蚀控制、抗飞溅和早期锈蚀之外,高白度粉末和HAR级硅灰石还用于建筑、工业和船舶涂料,以确保暴露于物理和环境攻击时的漆膜完整性。硅灰石颗粒的针状形状,即使在低纵横比下,也能增强涂膜,提供耐用性和柔韧性,以及卓越的耐擦洗性和耐磨性。HAR硅灰石等级用于厚建筑系统-沥青涂料、煤焦油涂料、纹理涂料和块状填料-以提高机械强度和耐久性。硅灰石也用于环氧粉末涂料,因为它的低粘合剂需求促进了平滑流动(消除橘皮)、耐水性、改进的附着力和良好的抗碎屑性。粗一点,更多的针状等级用于底漆,因为它们提供了具有良好牙齿的微纹理表面,适合面漆。在装饰性粉末涂料中,10微米和400目硅灰石用于提供光滑的缎面饰面。

 



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