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碳酸鈣表面改性

發(fā)布日期:

2021-06-08

　　表面改性是改善碳酸鈣應(yīng)用性能、提高適用性、拓展市場和用量所必須的重要加工技術(shù)，目前主要有無機(jī)物表面處理、有機(jī)物表面改性、聚合物表面改性、機(jī)械力化學(xué)改性和高能表面改性等5大類方法。

　　1、碳酸鈣無機(jī)物表面處理

　　碳酸鈣具有耐酸性差、pH值高的缺點(diǎn)，從而使其適用范圍和使用量受到了很大程度的限制。將碳酸鈣通過無機(jī)表面改性處理，可使得碳酸鈣表面產(chǎn)生雙靜電層，從而降低了顆粒之間的相互排斥作用，減少了堆積現(xiàn)象的產(chǎn)生。與此同時，增加了碳酸鈣的親水性，使碳酸鈣在水中能夠被良好的潤濕，從而增加了分散性能，擴(kuò)大了適用范圍。

　　Do Su Kim等通過硅氟酸根離子的水解使非晶態(tài)的硅在碳酸鈣表面沉淀析出，提高了碳酸鈣的耐酸性。

　　2、碳酸鈣有機(jī)物表面改性

　　有機(jī)物改性主要指通過化學(xué)或物理的方法，將有機(jī)物改性劑包裹在碳酸鈣表面，使碳酸鈣表面性質(zhì)發(fā)生改變，從而達(dá)到增加界面相容性，減少粉體相互團(tuán)聚，是碳酸鈣最主流的表面改性方法。

　　常用的表面改性劑主要有：脂肪酸(鹽)、磷酸酯類、季銨鹽類、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑以及復(fù)合偶聯(lián)劑等。

　　3、碳酸鈣聚合物表面改性

　　聚合物表面改性是指在碳酸鈣粒子表面形成一層核殼結(jié)構(gòu)的高聚物層。聚合物改性碳酸鈣主要有兩種情況：一種是在碳酸鈣表面單體通過聚合反應(yīng)形成高分子鏈段;另一種為將聚合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲行纬筛叻肿尤芤海⑾蚱渲屑尤胩妓徕}，當(dāng)高聚物逐漸吸附到碳酸鈣表面之后將溶劑清除，形成包覆。這樣聚合物可以定向吸附到碳酸鈣表面，形成有效的吸附層，減少碳酸鈣粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高分散性，改善碳酸鈣在使用過程中的分散性能不佳的缺點(diǎn)，達(dá)到表面改性的目的

　　4、碳酸鈣機(jī)械化學(xué)改性

　　機(jī)械化學(xué)改性主要是利用強(qiáng)烈的機(jī)械力的作用使碳酸鈣粒子的表面得到激活，碳酸鈣表面的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得晶格在一定程度上發(fā)生移動，從而與其他物質(zhì)之間的反應(yīng)活性得到增強(qiáng)。

　　這種方法主要針對于顆粒比較大的碳酸鈣效果好，但對于納米碳酸鈣來說，由于其粒徑小，機(jī)械力對它的改善效果不是很好，但是卻可以激活表面的一些活性位點(diǎn)和基團(tuán)，能夠增強(qiáng)與有機(jī)表面改性劑的相互作用，故可以采用機(jī)械化學(xué)和其他改性手段相結(jié)合的方法改性納米碳酸鈣。

　　5、碳酸鈣高能表面改性

　　高能表面改性主要利用高能射線、等離子體等方式對無機(jī)粉體表面改性處理。該方法主要依靠具有高能量的射線及等離子體源對碳酸鈣進(jìn)行表面的轟擊和觸碰，使碳酸鈣表面上產(chǎn)生了一些具有反應(yīng)活性的位點(diǎn)，然后加入不飽和的單體(如乙烯基單體)，不飽和單體能夠與表面的活性位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，在無機(jī)粒子表面形成一層包覆的有機(jī)膜。

　　但這種方法的成本高、改性之后的效果也不是很穩(wěn)定，應(yīng)用得到一定程度的限制。

　　碳酸鈣粉體的表面改性主要是解決3方面的問題：

　?、偬妓徕}的分散問題

　　②與有機(jī)高分子材料界面結(jié)合的問題

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　　因此，在選擇表面改性劑時應(yīng)綜合考慮以上幾點(diǎn)，并要根據(jù)表面改性劑的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其與碳酸鈣粉體的作用機(jī)理，同時還應(yīng)考慮有機(jī)高分子制品的基料性質(zhì)、配方、工藝技術(shù)要求及碳酸鈣的物理化學(xué)性質(zhì)，對其進(jìn)行正確的和有針對性的選擇。另外，在改性劑的選擇中，并不要僅僅只用偶聯(lián)劑來進(jìn)行表面改性，而要應(yīng)根據(jù)碳酸鈣粉體的性質(zhì)及有機(jī)高分子制品的配方及工藝技術(shù)要求等，加入一定量的其它助改性劑和助劑，配合偶聯(lián)劑進(jìn)行更有效的表面改性，使改性碳酸鈣粉體產(chǎn)品的性能和質(zhì)量達(dá)到更高的要求，使產(chǎn)品的成本更低。

　　經(jīng)偶聯(lián)劑改性的碳酸鈣粉體，都會產(chǎn)生少部分的團(tuán)聚顆粒，給產(chǎn)品的質(zhì)量帶來一定的影響，所以一定要進(jìn)行有效的分級，只有這樣才能完全保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　碳酸鈣常用的表面改性劑有硬脂酸(鹽)、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等。

　　硬脂酸(鹽)

　　硬脂酸(鹽)是碳酸鈣最常用的表面改性劑，干法工藝可直接加入硬脂酸，濕法工藝要先將硬脂酸皂化或者使用硬脂酸鹽，如硬脂酸鈉。

　　為了使硬脂酸更好地分散和均勻地與碳酸鈣粒子作用，也可預(yù)先將硬脂酸用溶劑(如無水乙醇)稀釋，改性時也可適量加入其他助劑。

　　用硬脂酸(鹽)改性處理后的活性碳酸鈣主要應(yīng)用于填充聚氯乙烯塑料、電纜材料、膠粘劑、油墨、涂料等。

　　鈦酸酯偶聯(lián)劑

　　鈦酸酯偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)劃分為6個功能區(qū)，每個功能區(qū)均有各自的特點(diǎn)。了解其特點(diǎn)后，就可以根據(jù)待處理粉體的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，來靈活性選擇能滿足各種要求的鈦酸酯偶聯(lián)劑。

　　鈦酸酯偶聯(lián)劑分為單烷氧型、螯合型、配位型：

　　(1)單烷氧型的特點(diǎn)是含有多功能，適應(yīng)范圍廣，主要適應(yīng)處理干燥的碳酸鈣粉體。

　　(2)螯合型含有乙二醇螯合基，適用于一定含水量的碳酸鈣粉體的表面改性。

　　(3)配位型耐水性好，多數(shù)不溶解于水，不發(fā)生酯交換反應(yīng)，適用多種粉體的表面改性。

　　用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理后的碳酸鈣，與聚合物分子有較好的相容性。同時，由于鈦酸酯偶聯(lián)劑能在碳酸鈣分子和聚合物分子之間形成分子架橋，增強(qiáng)了有機(jī)高聚物或樹脂與碳酸鈣之間的相互作用，可提高熱塑料填充復(fù)合材料的力學(xué)性能，如沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及伸長率等。用鈦酸酯偶聯(lián)劑表面包覆改性的碳酸鈣和未處理的碳酸鈣填料或硬脂酸(鹽)處理的碳酸鈣相比，各項(xiàng)性能均有明顯提高。

　　鋁酸酯偶聯(lián)劑

　　鋁酸酯偶聯(lián)劑以前因易水解很少使用。近年來生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的鋁酸酯采取了部分滿足中心鋁原子配位數(shù)的特殊結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提高。鋁酸酯偶聯(lián)劑色淺，有較高的熱穩(wěn)定協(xié)調(diào)效應(yīng)和潤滑增塑的作用，適用范圍廣。

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