干貨 | 一文了解硅微粉的生產、表面改性及其在涂料中的應用！

　　硅微粉是以天然石英礦、熔融石英等為原料，經研磨、精密分級、除雜等多道工藝加工而成的二氧化硅粉體材料，廣泛應用于電子封裝、油漆涂料、化妝品等領域。

1、硅微粉生產技術

　　按顆粒形態，目前市場上的硅微粉產品主要有角形硅微粉、準球形硅微粉和球形硅微粉。

（1）角形硅微粉的生產

　　角形硅微粉的外形無規則多呈棱角狀的硅微粉，其生產原料以脈石英、石英巖和熔融石英為主，又可分為角形結晶硅微粉和角形熔融硅微粉。

▲振動磨干法生產超細硅微粉工藝

▲球磨機干法生產電子級硅微粉工藝

角形硅微粉主要生產設備有球磨機、振動磨、微粉分級機和烘干機等，生產工藝有干法研磨和濕法研磨兩種。磨介以氧化鋁陶瓷球或硅石為主，磨機內襯為高強度耐磨材料，如氧化鋁陶瓷、硅石或聚氨酯橡膠。

▲棒磨機（濕法）+球磨機（干法）生產超細硅微粉工藝

（2）球形硅微粉的生產

　　球形硅微粉，是指顆粒個體呈球形，主要成分為二氧化硅的無定形石英粉體材料，其生產原料主要是角形硅微粉，生產方法主要有火焰熔融法、等離子加熱爐法、化學合成法、水解法等。

　　目前，國內主要利用火焰熔融法來生產球形硅微粉。該技術的關鍵是加熱裝置要求有穩定的溫度場、易于調節溫度范圍以及不要對硅微粉造成二次污染。

▲國內某公司火焰熔融法生產球形硅微粉工藝原則流程

高頻等離子體熔融法生產球形硅微粉的原理與工藝與火焰熔融法類似，主要是將高溫熱源變為等離子體發生器，其溫度范圍適中、控制平穩、產量高，可達到較高球化率，因而是一種較合適的生產方法。

▲高頻等離子體熔融法生產球形硅微粉工藝

水解法是把液體SiCl4以恒定的速度加入到添加了不同分散劑的去離子水中，并同時用石英棒高速攪拌水解產物，將得到的水解產物經陳化、洗滌、過濾后，在100℃-200℃的恒溫箱中進行干燥脫水至恒重后，轉移至高溫燒結爐中，在不同溫度下進行高溫燒結脫羥和晶形轉換，經粉磨、篩分后即得到所需粒徑的高純球形硅微粉。

▲水解法生產硅微粉工藝

　　整體來看，國內大部分企業生產規模不大、品種不多，在工藝過程中缺乏系統的控制手段，致使硅微粉產品的純度、粒度以及產品質量穩定性與國外產品比較還存在一定的差距。

　　在這些企業中真正能夠生產球形硅微粉的不多，其主打產品集中在1000目以下，多數以角形石英粉產品為主，主要應用領域多為冶金、陶瓷、橡膠用填料、耐火材料、建材、化妝品等。

2、硅微粉表面改性

　　為改善硅微粉與有機高分子材料界面結合的問題，提高其應用性能，一般需要對硅微粉進行表面改性。

　　硅烷偶聯劑是硅微粉表面改性最常用的改性劑，可將硅微粉親水性轉變為親有機性表面，還可提高有機高分子材料對其粉體的潤濕性，并通過官能團使硅微粉與有機高分子材料實現牢固的共價鍵界面結合。

　　但是，硅烷偶聯劑的應用效果與選用的種類、用量、水解情況、基材特性、有機高分子材料的應用場合、方法及條件等有關。所以要使用好硅烷偶聯劑，就要對其結構、性質及與硅微粉作用的機理等進行認真的研究，這樣才能正確的選擇和使用好硅烷偶聯劑，設計和制造出工藝合理的表改性設備。

（1）如何確定硅烷偶聯劑的用量

　　硅烷偶聯劑的用量是根據粉體的比表面積所占的反應活性點（如Si-OH）的數量以及硅烷偶聯劑覆蓋表面的單分子層、多分子層的厚度等決定的。

▲硅微粉的表面特性

　　一般硅微粉類礦物粉體的Si-OH含量為4-12個μm2，1mol的硅烷偶聯劑可以覆蓋約7500m2的粉體表面積。由于硅烷偶聯劑水解后，其自身也產生縮合反應，要影響到計算用量的準確性，所以要增加一定的加入量。

　　硅烷偶聯劑用量（g）=粉體質量（g）×粉體表面積（m2/g）/硅烷偶聯劑的覆蓋面積（m2/g）

（2）如何選擇表面改性工藝？

　　根據所選用的硅烷偶聯劑與硅微粉反應的機理進行確定：

　　一是首先要將硅微粉進行動態加熱到100-110℃，此時以霧化法加入水解后的硅烷偶聯劑或復合偶聯劑。

　　二是在硅烷偶聯劑與反應過程中應保持一定的反應時間，因不同的反應時間其改性的效果是不同的。這一加熱反應過程是脫水、縮合與固化，以使硅烷偶聯劑與硅微粉形成穩定和牢固的共價鍵結合。

　　三是經偶聯劑改性的粉體，都會產生假結顆粒和縮合后產生的硬顆粒，給產品質量帶來了很大的影響，所以一定要進行有效分級，只有這樣才能保證產品的質量。

（3）如何選擇表面改性設備？

　　硅微粉表面改性設備的選擇，應根據其表面改性機理所確定的加工工藝為基準，選擇和配套無污染的表面改性設備。目前前國內的表面改性設備比較多，但是有些表面改性設備沒有遵循硅微粉表面改性的機理及工藝要求等制造的，造成表面改性的效果不好，因此要對購置的改性設備進行改造和配套后才能達到較好的效果。

　　表面改性設備的選擇是硅微粉表面改性至關重要的一個環節，在選擇表面改性設備時應考慮滿足以下幾點要求：

　　一是表面改性設備能將硅微粉在動態狀況下加熱并保溫，保溫時間能夠自動控制。

　　二是要有排氣裝置，可將表面改性前后脫除的水以蒸氣的方式排出，使硅烷偶聯劑與粉體產生縮合反應，達到形成共價鍵的效果。

　　三是保證硅微粉在表面改性機中處在高速動態的狀況下。

　　四是表面改性設備應滿足表面改性劑分加的要求。

　　五是為解決表面改性中產生的假團聚和硬團聚體，一定要進行有效的分級，應有專用的分級設備進行配套。

　　目前，國產的活性硅微粉產品因其只用硅偶聯劑簡單的混合處理，效果不夠理想，粉體與樹脂混合時很容易團聚，而國外有許多專利提出了對硅微粉的活性處理，例如德國專利提出用聚硅烷和硅微粉混合，并在紫外線照射下攪拌，獲得活性硅微粉；日本專家提出硅烷二醇衍生物處理硅微粉，并在混合過程中加入催化劑，使偶聯劑對粉體的包裹均勻，從而能使環氧樹脂能與硅微粉達到理想的結合效果。

　　因此，我國硅微粉生產廠家在表面改性的道路上任重道遠，不僅需要上游偶聯劑廠家的密切配合，更需要下游應用廠家的通力合作。只要解決改性的技術難題，活性硅微粉的市場將非常值得期待。

3、硅微粉在涂料中的應用

　　在涂料行業中，硅微粉具有白度高、硬度大、導熱系數低、耐高溫、絕緣和化學性能穩定等特點，可有效改善涂料的抗腐蝕性、耐磨性、絕緣性、耐高溫等性能，特別是對于外墻涂料來說，硅微粉對其耐候性起著舉足輕重的作用。

　　而球形硅微粉具有極強的紫外吸收和紅外反射特性，可增加涂料的抗紫外老化和熱老化性能；添加到紫外光固化涂料中，可明顯地提高涂料的硬度和附著力，減弱其吸收UV輻射的程度，從而降低了紫外光固化涂料的固化速度。

　　球形硅微粉擁有龐大的比表面積，表現出極大的活性，很好的流動與潤滑性，能在涂料干燥時形成網狀結構。同時增加涂料的強度和光潔度，提高顏料的懸浮性，保持涂料的顏色長期不變。

　　乳膠涂料：汪鵬主等以改性硅微粉和鈦白粉進行復配，當硅微粉:鈦白粉=1:3時，復合粉體具有良好的分散性能，將其用于乳膠涂料中，所得產品穩定性良好，力學性能優異，且加入改性硅微粉的涂料成膜后，硅微粉主要富集在涂膜的表層，提高了涂膜的硬度和耐污性。

　　粉末涂料：杜中燕等通過添加硅微粉部分替代鈦白粉，當兩者配比1:1時，粉末涂料的涂膜綜合性能最好，鉛筆硬度為4H，耐沖擊力高于50kg?cm，光澤度75%，白度82%。

　　高溫耐磨涂料：張棟棟等以硅烷偶聯劑KH560改性硅微粉，提升了環氧樹脂的相容性，在涂層中分散性良好，可獲得耐磨、耐熱性能良好的硅微粉/環氧樹脂高溫耐磨涂料。

　　近年來，隨著各種特殊功能性涂料的開發應用，硅微粉由于具備耐溫、耐候、耐磨、耐腐蝕等諸多優異的性能，越來越受到涂料用戶的重視。

　　值得注意的是，雖然我國的硅微粉產品在物理、化學指標上已經能與國外產品相媲美，例如金戈新材的FCJ系列硅微粉，不論是在生產自動化、在線檢測手段和產品質量穩定的控制上，都已經達到國際化先進水平，有意向者可向我司相關人員。未來我國硅微粉市場還有很長的路要走，希望上下游通力合作，共促行業繁榮發展。

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