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納米碳酸鈣常用10大類表麵改性劑

納米碳酸鈣常用10大類表麵改性劑

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【摘要】：
隨著納米碳酸鈣的應用領域不斷擴大，這些缺點更加明顯。為了充分發揮納米碳酸鈣的優勢，改善納米碳酸鈣的性能，必須采用不同的表麵改性方法和改性劑進行表麵改性處理。
納米碳酸鈣直接用於有機高分子基質中存在兩個缺陷：

  • 一是分子間力、靜電作用、氫鍵、氧橋等會引起碳酸鈣粉體的團聚；

  • 二是納米碳酸鈣表麵具有親水性較強且呈強堿性的羥基，會使其與聚合物的親和性變差，易形成團聚體，造成在高聚物中分散不均勻，導致兩種材料間界麵缺陷，無法體現出納米碳酸鈣的納米效應。

 
隨著納米碳酸鈣的應用領域不斷擴大，這些缺點更加明顯。為了充分發揮納米碳酸鈣的優勢，改善納米碳酸鈣的性能，必須采用不同的表麵改性方法和改性劑進行表麵改性處理。
納米碳酸鈣常用的改性劑主要有偶聯劑、表麵活性劑、聚合物、無機物等。
1、鈦酸酯偶聯劑
鈦酸酯偶聯劑可以分為單烷氧型、配位型及螯合型，為了提高其反應的均勻性，需采用惰性溶劑進行溶解和稀釋，再以噴霧形式加入表麵改性機，可以更好地與碳酸鈣顆粒進行分散混合、表麵化學包覆。
鈦酸酯改性效果較好，曾得到廣泛應用，但鈦酸酯呈棕色影響到改性後產品的白度，且價格較貴，並可能危害人體健康（導致肝癌）。
2、鋁酸酯偶聯劑
鋁酸酯一端的烷氧基可與碳酸鈣表麵的自由質子反應，另一端能和高聚物分子鏈產生纏繞或交聯作用，其性能優於鈦酸酯。
鋁酸酯改性後的碳酸鈣能較好分散於有機介質中，力學性能得到改善，並且能提高產品的物理機械性能和加工性能，在填充塑料等製品中應用廣泛。
鋁酸酯的優點是：顏色較淺，無毒，熱分解的溫度較高，價格低廉，包裝、運輸方便，因此適用範圍廣泛。鋁酸酯的缺點是易水解，不能用於濕法表麵改性工藝。
3、硼酸酯偶聯劑
硼酸酯偶聯劑作為改性劑使用，具有很多優點：無毒並且抑菌，偶聯功能優異，熱穩定性能好，具有良好的抗水解能力。因此，硼酸酯作為納米碳酸鈣改性劑，不僅用於幹法表麵改性工藝，也可用於濕法改性處理。
4、脂肪酸（鹽）
脂肪酸（鹽）的作用機理是利用碳酸鈣表麵分布著大量親水性的羥基，呈現較強堿性的特點，其RCOO-與碳酸鈣漿液中的Ca2+、CaHCO3+、CaOH+等組分反應生成脂肪酸鈣沉澱物，包覆在碳酸鈣粒子表麵，脂肪酸鈣中的烴基使碳酸鈣的表麵性質由親水變成親油。
納米碳酸鈣經脂肪酸改性後，分散性提高，與有機高分子材料具有較好相容性。用脂肪酸（鹽）改性的碳酸鈣主要應用於填充PVC塑料、電纜材料、膠黏劑、油墨、塗料等。其中，硬脂酸（鹽）是碳酸鈣最常用、也是十分廉價的表麵改性劑。
5、磷酸酯（鹽）和縮合磷酸
磷酸酯（鹽）改性劑也屬於陰離子型表麵活性劑，主要是通過磷酸酯腐蝕碳酸鈣表麵生成磷酸酯鈣和磷酸酯氫鈣，其緊密包覆在納米碳酸鈣顆粒表麵，長鏈烷基朝外排列，使得納米碳酸鈣呈疏水性
經磷酸酯改性的納米碳酸鈣應用於複合材料中，不僅能提高材料的加工性能和機械性能，而且能改善耐酸性和阻燃性。
采用縮合磷酸（偏磷酸或焦磷酸）對碳酸鈣粉體進行表麵改性，可克服碳酸鈣粉體耐酸性差、表麵pH高等缺點。改性後產品的pH為5.0～8.0（改性前pH為9.0～10.5），難溶於醋酸等弱酸中，耐酸性較好。
另外，在碳酸鈣碳化過程中加入硫酸鋅和水玻璃進行表麵改性，所得產品應用於丁苯橡膠時，可改善其斷裂伸長率和撕裂強度。
6、季胺鹽類
季胺鹽類是一種陽離子表麵活性劑，其分子的一端可以和高分子材料發生交聯，另一端帶正電可以在碳酸鈣表麵發生靜電吸附。
7、反應性單體、活性大分子
反應性單體中帶有不飽和鍵的小分子羧酸能與納米碳酸鈣作用，分散納米碳酸鈣；利用其反應性（不飽和鍵）可與聚烯烴發生接枝，形成接枝物，強化納米碳酸鈣與聚合物間的界麵作用。
活性大分子中帶有的大分子能在碳酸鈣表麵發生作用，改善其與有機高分子材料間的親和力和分散性。
8、聚合物
聚合物可在碳酸鈣表麵定向吸附，使碳酸鈣具有電荷特性並在碳酸鈣粒子表麵形成物理或化學吸附層，增大粒子之間的距離，防止碳酸鈣粒子間粘連團聚，進而改善分散性。常用的聚合物主要有低聚物、高聚物和水溶性高分子。
9、超分散劑
超分散劑不同於傳統的表麵活性劑，主要由溶劑段和錨固段組成。其錨固段一般為極性基團，可以單點錨固或多點錨固的形式緊密結合於顆粒表麵；溶劑段極性各異，分別適用於不同極性的聚合物改性。
理論上講，通過調整兩段物質相對分子質量大小和官能團，可以獲得幾乎滿足所有要求的表麵處理劑。
10、無機物
無機物改性劑一般不能使碳酸鈣由親水變成疏水，但能改善納米碳酸鈣的分散性與耐酸性，若與其他改性劑結合使用，效果較佳。常用的主要有偏磷酸（鹽）、多聚磷酸（鹽）、鋁酸（鹽）、明礬、鋇鹽等。
無機電解質吸附在碳酸鈣粒子表麵，一方麵能提高其表麵的電位值並誘發空間位阻效應，產生雙電層靜電排斥作用，因而能改善粒子的分散性；另一方麵，由於空間位阻作用使得氫離子無法接觸到內層碳酸鈣粒子，顯著提高其耐酸性。
 
參考資料：
[1]陽鐵健,顏鑫.納米碳酸鈣表麵改性技術研究進展[J].無機鹽工業,2012,44(02):9-12.
[2]楊煜莉.改性納米碳酸鈣的製備及其在潤滑油中的應用[D].浙江大學,2016.
[3]江星星.納米碳酸鈣表麵的改性及其機理研究[D].浙江工業大學,2014.
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