结晶硅微粉在聚合物中应用

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1、结晶硅微粉在聚合物中的应用(格式)XXX摘要：结晶硅微粉以其高热稳定性、高导热率、低热膨胀系数以及低廉的价格被广泛用作聚合物的填料。本文在介绍了结晶硅微粉的性能及用途的基础上，从结晶硅微粉超细化、粉石英的开发、结晶硅微粉的表面改性以及高填充硅微粉/聚合物研究进展等方面综述了结晶硅微粉在聚合物中应用和技术进展。关键词：结晶;硅微粉;聚合物;超细;改性;高填充无机粉体作为聚合物复合材料改性的一种重要手段，日益受到人们的重视。用无机粉体填充聚合物不仅能降低材料的成本，而且能提高聚合物的各种性能，诸如强度、刚性、热变形温度、导热性、耐蚀性、阻燃性、绝缘性等[1]。其中，硅微粉

2、作为重要的无机填料，以其优越的稳定性、补强性、增稠性、触变性、导热性、耐热性以及高绝缘、低膨胀等，已被广泛应用于橡胶、塑料、粘结剂和涂料等领域[2]。硅微粉是一种具有一定粒度分布的粉体材料，其主要成分为SiO2。由天然石英（SiO2）或熔融石英经破碎、球磨（或振动、气流磨）、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉[3]。根据制备工艺不同，分为结晶硅微粉和熔融硅微粉，熔融硅微粉又有角形和球形两种形态。在各种形态的硅微粉中，结晶硅微粉对聚合物体系的影响都不是最佳的，其分散性、耐沉降性不如熔融球形硅微粉，耐热冲击性和热膨胀系数不如熔融角形硅微粉，综合性能更不如近

3、来发展起来的纳米硅微粉。但从成本和经济效益综合考虑，结晶硅微粉价格比熔融硅微粉低廉，导热率比熔融硅微粉高[4]，因此实际应用中更倾向于使用高纯度的结晶硅微粉[5]。超细化是非金属矿加工和利用的发展趋势。超细硅微粉具有比表面积大、表面活性大、分散性好等优点。与普通硅微粉相比，超细硅微粉表面缺陷、非配位原子多，与聚合物发生物理或化学结合的可能大，增强了粒子与聚合物基体的界面结合，因此广泛应用于涂料、油漆、工程塑料、粘合剂和硅橡胶中[6,7]。本文综述了结晶硅微粉的性能和应用，并重点阐述了结晶硅微粉在聚合物中的应用与进展。1概述1.1结晶硅微粉的制备及性能结晶态的二氧化硅矿

4、物有石英砂、脉石英、粉石英[8]。结晶硅微粉一般采用纯度较高的结晶型石英砂，破碎至适当粒度后，采用干法、湿法工艺研磨，然后通过旋风分级、沉降及水力旋流器等方法分离出粒度合格的硅微粉，经过磁选、酸洗、浮选等一系列步骤进行提纯，得到结晶硅微粉[9,10]。这样得到的硅微粉，其颗粒形状为不规则的多面体，为角形硅微粉[11]。国内一般采用气流粉碎机制备超细硅微粉，其原理是利用高速气流的能量冲击硅微粉，使之互相碰撞、摩擦，从而使聚集体粉碎，这种方法可获得粒径在1~5μm之间的硅微粉[5]。蒋述兴[12]以高硬度钇稳定氧化锆球为研磨介质，用衬聚氨酯搅拌磨磨细石英砂并经过沉降分级，

5、可获得SiO2质量分数为99.91%，粒径为1μm以下的高纯超细结晶硅微粉。除了细度，硅微粉的球形化对硅微粉性能的影响也较大。球形硅微粉由于其颗粒呈球形而具有很好的流动性，在流动性不变的情况下，可以提高硅微粉的填充量，填充率越高，复合材料的热膨胀系数就越小，导热系数就越高[5]。而且用球形硅微粉填充的塑封料应力集中较小，强度较高，当角形硅微粉的塑封料应力集中为1时，球形硅微粉的应力仅为0.6[13]。此外，在塑封料的生产过程中，球形硅微粉较角形硅微粉摩擦系数小，对模具的磨损慢，可以将模具的使用寿命延长一倍。6DurneyT.E等人[14]的研究表明在干磨作用条件下，粉

6、粒间相互磨搓作用较湿磨大，有利于得到圆整度好的球形粒子。此外，对同一物料，同一加工条件下，颗粒粒度越小，其颗粒的球形度越好。尽管如此，单纯机械整形法和干磨法效果并不理想。结晶硅微粉的主要化学成分是SiO2，含量达99.4wt.%以上，还含有微量的Fe2O3和Al2O3，其技术指标如表1所示。由于硅微粉纯度高，因此电导率较低，为5~30μS·cm-1，使聚合物具有较好的绝缘性能和抗电弧性能。此外，结晶硅微粉的熔点为1710℃[8]，具有高热稳定性[15]、高导热率（5～12.6W/m·K[5]）和低热膨胀系数（9×10-6/℃[5]），能有效提高聚合物的导热性，并降低热

7、膨胀系数，从而消除内应力，提高聚合物机械性能。从表1中，还可以看出，结晶硅微粉具有亲水性，如果将其直接加入聚合物中，由于相容性不好，不但不能提高聚合物性能，反而会在降低性能。为提高硅微粉和聚合物的界面结合状态，需对硅微粉进行表面改性。首先在100℃~200℃下预热干燥硅微粉，使其脱水并提高表面活性，然后以喷雾的形式加入到含偶联剂的醇水溶液，在一定的温度、时间和搅拌速度下进行混合改性，最后通过筛分得到活性硅微粉[16]。活性硅微粉表面具有一层极薄而牢固的偶联剂膜，能有效提高硅微粉和聚合物的粘结力，从而增加填充量、降低生产成本，并能有效提高固化产物的机械