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本文深入探究了滑石的本征润湿性，挑战了其固有疏水性的传统观点。研究表明，其表面疏水性主要由空气中的烃类污染物沉积所致。通过表面清洁（如UV-O3或氩等离子体处理）可显著降低水接触角（WCA），使其呈现亲水性；而暴露于环境空气后，WCA会随烃类吸附而升高。光谱分析和对照实验证实了烃类污染的关键作用，且其沉积动力学高度依赖于环境湿度。这一发现对理解表面化学基础问题及滑石在采矿、填料等工业应用中的性能调控具有重要意义。
引言
滑石是一种天然存在的层状硅酸盐粘土矿物，化学成分为Mg3Si4O10(OH)2，具有片状结构、柔软、化学惰性和亲有机性等独特性质，被广泛应用于化妆品、油漆、纸张、塑料、采矿和橡胶等行业。传统上，滑石被认为是一种疏水材料，文献报道的水接触角（WCA）范围在80°至96°之间。然而，关于其润湿性也存在相互矛盾的结果，一些研究报道了较低的WCA（约50°），而吸附量热研究则表明脱气后的滑石并不疏水。滑石的润湿性取决于其晶体结构的不同晶面：其基底面被认为是疏水的，而由羟基、镁、硅和取代阳离子组成的边缘面在接触水时会发生水解，本质上是亲水的。理解滑石的本征润湿性对于表面化学的基础研究具有重要意义，因为从高极性的硅酸盐矿物角度，人们可能预期其呈现亲水行为。先前对石墨和氧化铝等无机材料润湿转变的研究表明，它们固有的亲水性常常被空气中的烃类污染所掩盖。在滑石的工业应用中，其疏水性在采矿工业中尤其不利，因为滑石的可浮性给泡沫浮选中将其颗粒与其他有价值的硫化矿石分离带来了困难。
实验部分
研究使用了从私人供应商处购买的块状天然滑石矿物以及从赛默飞世尔科技公司购买的滑石粉末。块状滑石样品的基底面使用碳化硅砂纸（粒度600、800和1200）进行渐进式抛光，每次抛光后用去离子水冲洗，然后用氮气干燥，随后进行UV-O3清洁。UV-O3清洁使用NovaScan PSD数字臭氧清洁器在环境空气中运行30分钟。氩等离子体清洁使用Harrick Plasma的PDC-001等离子清洁器在氩气连续流动下进行15分钟的高等离子体照射。水接触角（WCA）测量使用VCA Optima XE仪器通过座滴法进行，在表面三个不同点使用1微升去离子水滴进行测量。X射线光电子能谱（XPS）测量使用ESCALAB 250Xi XPS仪器进行，采用单色Al Kα X射线。
结果与讨论
WCA对烃类沉积的依赖性
研究发现，滑石的润湿性强烈依赖于当地大气环境。未经处理的块状滑石矿物在空气中储存显示出82°的WCA。样品经砂纸抛光、去离子水冲洗、氮气吹干并暴露于UV-O3处理30分钟后，立即测量的WCA降至49°。同一样品进一步暴露于实验室空气中240小时后，WCA升高至81°。这种亲水到疏水的转变在多个实验中一致地观察到。对另一个滑石样品进行为期10天的动力学研究显示，未经任何表面处理前，WCA为83°；经过抛光、UV-O3处理并在化学实验室储存后，WCA在1小时至5天内波动在45°到65°之间；长时间暴露于空气导致WCA在10天内进一步升高至80°到85°。尽管初期WCA波动较大，但亲水到疏水的转变在另外三个独立实验中易于重复。
为了探究是否是烃类污染影响了抛光滑石样品的WCA，研究进行了阳性对照实验，将新鲜抛光并经UV-O3清洁的滑石样品暴露于十六胺（HDA）蒸气中。观察到WCA在一天内从54°快速增加到85°。随后用UV-O3清洁器处理被HDA污染的滑石样品，恢复了其亲水性（WCA：51°）。动力学数据显示，暴露于HDA蒸气24小时内，WCA急剧升高。相比之下，暴露在环境空气中需要数天才能产生类似的WCA升高。另一系列实验将氩等离子体清洁的滑石样品暴露于常见的空气烃类混合物（如多环芳烃萘和蒽，以及C20–26烷烃二十烷）中。等离子体清洁表面的WCA从28±4°增加到53±3°（暴露24小时后），再次用氩等离子体处理后，表面恢复亲水性，WCA回落到32±3°。
为了进一步验证块状滑石矿物的结果，研究对商业购买的滑石粉末进行了类似实验，观察到类似的结果。将滑石粉末压制成圆盘，在空气中500°C加热处理，然后暴露于实验室空气中并测量其WCA。数据显示，热处理后WCA降低，随后在环境条件下储存时缓慢增加，模仿了在块状样品上观察到的现象。
XPS为空气中烃类在滑石基底上的积累提供了直接证据。比较了同一滑石样品在空气中暴露10天后、从UV-O3清洁室取出后5至10分钟内、以及暴露于HDA 24小时后的C 1s、Mg 1s和Si 2p XPS光谱。根据宽扫描谱计算了这三种样品的C 1s、Mg 2s、Si 2p和O 1s的原子百分比。值得注意的是，C 1s的百分比从UV-O3处理前的4.0%降至处理后的3.1%，进一步暴露于HDA后最终增加至7.7%，这与后续讨论的WCA直接相关。未经处理样品的C 1s XPS光谱在284和288.6 eV附近显示峰，分别归属于块状矿物中的sp2和sp3杂化碳物种以及矿物表面的羰基和/或酰胺物种。UV-O3处理后，288.6 eV处的峰消失，对应于空气烃污染的去除。暴露于HDA蒸气后，在286.4 eV处重新出现一个新峰，对应于C-N或C-O键，表明表面被含氧和/或胺的烃类污染。在Mg 1s和Si 2p数据中也可以观察到相同的趋势，其中分别位于1303.2和102.1 eV的信号对UV-O3和HDA处理没有响应。相比之下，另一组峰——Mg 1s在1307 eV（未处理）、1306.7 eV（HDA处理）和Si 2p在108 eV（未处理）、104 eV、106.1 eV（HDA处理）——受环境影响显著。很可能，第一组峰与体相信号相关，而第二组和/或第三组峰源于近表面元素，它们受到烃类物种吸附/去除的影响。这些峰结合能的一些偏移可能是由于实验过程中表面物种性质的变化（例如，烃类污染物中存在的官能团）所致。在整个XPS实验过程中，未检测到强的N 1s峰；这一事实表明，吸附在滑石上的大部分HDA可能在XPS测量过程中解吸了。综上所述，XPS数据突出了烃类吸附对滑石表面化学环境的影响。
WCA对湿度的依赖性
先前的研究报道了湿度对空气中烃类在石墨上吸附的影响，并提出了一种涉及空气中烃类与水分在石墨表面吸附竞争的机制。滑石作为另一种二维材料，表现出类似的行为。为了展示湿度对润湿转变的影响，研究在两种条件下进行了滑石表面被HDA污染的实验。在第一个实验中，将滑石样品置于保持61%相对湿度的密封玻璃容器中（实验室相对湿度为49%）；在另一个实验中，将滑石样品置于含有硫酸钙干燥剂的干燥玻璃室中（相对湿度为12%）。在这两种设置中，允许HDA蒸气沉积，并进行WCA的时间依赖性测量（0至48小时）。数据显示，在干燥条件下，亲水到疏水的转变比在潮湿环境下更快。这一结果与以下观点一致：由于与表面吸附水的竞争，在高湿度环境中HDA和其他空气烃的吸附较慢。
结论
本工作表明，滑石所表现出的疏水性是空气中烃类污染的结果。当抛光的滑石储存在环境空气中时，观察到其疏水性在数天内增加。WCA和XPS数据将这种润湿转变归因于环境空气中烃类污染物的吸附。空气烃吸附及其对WCA影响的现象已在各种表面（包括金、铝、石墨、SiO2和TiO2）上得到广泛记录。在所有情况下，空气烃吸附与WCA升高相关，类似于本工作中在滑石样品上观察到的现象。WCA变化的时间尺度表现出相当大的可变性，从几分钟（例如金和石墨）到几小时（例如SiO2和滑石）不等，并且对环境因素（如相对湿度）敏感。尽管滑石矿物具有一种化学类型，但其纯度和组成可能因其来源而异。因此，本工作的结果应进行定性或半定量解读。这一发现为理解滑石的润湿性提供了新的见解。考虑到滑石的上述应用，这些结果可能对许多工业实践具有重要意义。特别是在滑石疏水性相关的工艺中（例如浮选、添加剂、涂层），建议重新审视其潜在机制，并且材料性能可能受到环境中有机化合物的影响。
