填充母料用碳酸鈣為什么要改性

      碳酸鈣是一種極其重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、造紙等工業(yè)中。近年來，由于各種合成樹脂及化工原料的用量不斷擴(kuò)大，能源耗量日趨增多,因此在塑料、橡膠等工業(yè)中，人們?cè)絹碓蕉嗟乜紤]到在高分子合成材料中加入資源豐富、價(jià)格低廉的無機(jī)填料。在盡可能多地向塑料、橡膠制品中添加無機(jī)填料(如碳酸鈣) 的同時(shí)，要使制品的各項(xiàng)物理機(jī)械性能得以保證。

     普通無機(jī)填料，如普通碳酸鈣難于滿足這些要求，需對(duì)其進(jìn)行改性，以提高其綜合性能。隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展,碳酸鈣已不僅僅是一種填充劑，也是一種重要的改性劑。

     在塑料制品中填充性能優(yōu)異的活性碳酸鈣，可在降低成本的同時(shí),還能改善制品的硬度、彈性模量、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。活性碳酸鈣是在普通碳酸鈣的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性而得到的，從而達(dá)到在復(fù)合材料制品中的填充和改性的雙重目的。這些改性包括對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶形態(tài)、粒子大小、粒度分布及表面性能等方面的改性。

碳酸鈣改性主要有兩個(gè)途徑

     一是改變粒度，使碳酸鈣顆粒微細(xì)化或超微細(xì)化(包括改變碳酸鈣的結(jié)晶形態(tài)和粒度分布) ,用結(jié)晶形態(tài)各異的微細(xì)或超微細(xì)碳酸鈣改善其在樹脂中的分散性，并以微小的顆粒和大的比表面積,獲得在塑料、橡膠等制品中的補(bǔ)強(qiáng)作用。

     這種改性方法需要對(duì)傳統(tǒng)的碳酸鈣生產(chǎn)工藝的碳化、粉化及脫水干燥技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大量生產(chǎn)時(shí)，干燥條件難以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品成本較高。

     二是改善碳酸鈣的表面性能，使其由無機(jī)性向有機(jī)性轉(zhuǎn)變，從而增大碳酸鈣與有機(jī)樹脂的相容性，改善制品的加工性能和物理機(jī)械性能。

     這種方法主要是采用兩親結(jié)構(gòu)分子(具有親無機(jī)基團(tuán)及親有機(jī)基團(tuán)結(jié)構(gòu)，包括表面活性劑、長鏈有機(jī)酸、偶聯(lián)劑) 對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性,其工藝、設(shè)備較為簡單，容易實(shí)施，近幾年來發(fā)展起來的偶聯(lián)劑用來處理不同粒徑的碳酸鈣，改性效果很好，已越來越多地被應(yīng)用于塑料、橡膠等復(fù)合材料制品的生產(chǎn)中，此乃是擴(kuò)大碳酸鈣填充劑新品種的有效辦法。

碳酸鈣活化機(jī)理

     能對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性的物質(zhì)很多，但以往的研究大多集中在用有機(jī)酸對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，并制成相應(yīng)的活性碳酸鈣商品。由于有機(jī)酸在碳酸鈣表面上的作用主要是物理吸附過程，在與樹脂的混合過程中，在碳酸鈣與樹脂界面間提供潤滑作用，所以用有機(jī)酸改性，可以改變物料的流變性能和加工性能,對(duì)制品的物理性能幾乎沒有改進(jìn)。

     近年來，經(jīng)深入研究表明,用偶聯(lián)劑對(duì)碳酸鈣進(jìn)行改性時(shí)，偶聯(lián)劑分子的親無機(jī)端和親有機(jī)端分別能與碳酸鈣的表面和有機(jī)樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)與有機(jī)樹脂產(chǎn)生纏結(jié)作用,在交聯(lián)劑存在下，也能出現(xiàn)交聯(lián)現(xiàn)象。這一作用不僅改變了碳酸鈣的表面極性，也增大了碳酸鈣與有機(jī)樹脂的界面粘合力，所以用偶聯(lián)劑改性，不僅可以改善碳酸鈣填充制品加工性能，同時(shí)也可改善制品的物理機(jī)械性能。

     對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性較為有效的是鈦酸酯偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑。但用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理過的碳酸鈣在某些聚合物中使用時(shí)會(huì)由于氧化而變色，處理過的碳酸鈣在存放期間或在填充制品的加工過程中，鈦酸酯分子的親有機(jī)端易發(fā)生水解或醇解，同時(shí)鈦酸酯的熱分解溫度也較鋁酸酯偏低，因此選用鋁酸酯偶聯(lián)劑處理碳酸鈣較為理想。

     用鋁酸酯偶聯(lián)劑活化碳酸鈣的機(jī)理如下：鋁酸酯偶聯(lián)劑的分子系屬兩親結(jié)構(gòu)，一端為親無機(jī)基團(tuán)，一端為親有機(jī)基團(tuán)。偶聯(lián)劑作用于碳酸鈣表面時(shí)，由于碳酸鈣顆粒表面的鈣離子及碳酸根離子與大氣中水分子接觸,并發(fā)生水解，產(chǎn)生具有堿性的、疏油的羥基表面。

CaCO₃+ H₂O = Ca (OH) ₂ + CO₂ ↑

     碳酸鈣的表面羥基可與鋁酸酯偶聯(lián)劑的親無機(jī)端發(fā)生化學(xué)結(jié)合，產(chǎn)生表面改性的碳酸鈣粒子。這些表面改性的碳酸鈣粒子與樹脂共混，偶聯(lián)劑分子的親有機(jī)端可與樹脂的分子發(fā)生纏結(jié)作用。由于偶聯(lián)劑的作用，使碳酸鈣具有活化機(jī)能，提高了與有機(jī)樹脂的親和力，達(dá)到對(duì)樹脂的改性及增強(qiáng)效果。