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如何让你的纳米碳酸钙“表里不一”?

时间:2018-5-9 13:07:14 点击:174

  核心提示:纳米碳酸钙是一种功能性无机填料,广泛应用于塑料、橡胶、油墨、涂料、造纸、胶粘剂、密封胶等领域。 据美国市场研究公司GrandViewResearch发布《纳米碳酸钙市场分析及2016-2024年前景预测报告》显示:到2024年,全球纳米碳酸钙需求量将超过4000万吨,其中塑料将成为增长最快的应用领域...

    纳米碳酸钙是一种功能性无机填料,广泛应用于塑料、橡胶、油墨、涂料、造纸、胶粘剂、密封胶等领域。
    据美国市场研究公司GrandViewResearch发布《纳米碳酸钙市场分析及2016-2024年前景预测报告》显示:到2024年,全球纳米碳酸钙需求量将超过4000万吨,其中塑料将成为增长最快的应用领域。


纳米碳酸钙直接用于高分子基质中存在2个缺陷:
    分子间力、静电作用、氢键、氧桥等会引起碳酸钙粉体的团聚;
    纳米碳酸钙表面具有亲水性较强且呈强碱性的羟基,会使其与聚合物的亲和性变差,易形成团聚体,造成在高聚物中分散不均匀,导致2种材料间界面缺陷,无法体现出纳米碳酸钙的纳米效应。
    纳米碳酸钙的表面改性可分为表面物理作用(包括表面包覆和表面吸附)和表面化学作用(包括表面取代、聚合和接枝等),其表面改性方法又可分为干法表面改性工艺和湿法表面改性工艺。
「1」
纳米碳酸钙干法表面改性
    纳米碳酸钙常用的表面改性剂为偶联剂,其作用机理是:利用偶联剂一端的基团与碳酸钙的表面反应,形成强有力的化学键合,而偶联剂的另一端可与有机高分子发生某种化学反应或机械缠绕,从而把碳酸钙和有机高分子这2种性质差异极大的材料紧密结合起来。
    借助偶联剂在纳米碳酸钙表面与有机高分子材料之间形成分子桥,从而使它们的相容性得到极大改善;此外使用偶联剂还可增大填料的用量,改善体系的流变性能。
干法表面改性的特点:
工艺简单;
    配方可灵活掌握;
将碳酸钙表面处理与下游工序串联起来,生产效率高。
干法表面改性的注意事项:
    要有快速的搅拌,以使偶联剂快速包覆于每一粒碳酸钙颗粒;
    改性温度要适宜,以利于包覆反应的进行;
    羟基的来源问题,如果碳酸钙中水分含量较高,则偶联剂将先与水反应,而不是与碳酸钙表面的羟基反应,这就无法达到表面改性的目的。
    因此,必须保证快速分布、适宜温度和不含水分这3个基本条件,才能发挥出偶联剂的作用。

(1)钛酸酯
钛酸酯偶联剂主要有单烷氧型、螯合型和配位型。
单烷氧型含有多功能基团,适应于碳酸钙干法改性工艺;
螯合型含有乙二醇螯合基,适用于碳酸钙湿法改性工艺;
配位型耐水性好,一般不溶于水,也不与酯类发生交换反应,适用于碳酸钙的干法改性工艺。
为了提高钛酸酯偶联剂与碳酸钙作用的均匀性,一般需采用惰性溶剂(如液体石蜡、石油醚、变压器油、无水乙醇等)进行溶解和稀释。
钛酸酯多为液态,和惰性溶剂混合后以喷雾形式加入高速混合机中,可以更好地与碳酸钙颗粒进行分散混合、表面化学包覆。

(2)铝酸酯
铝酸酯分子中易水解的烷氧基与碳酸钙表面的自由质子发生化学反应,不可逆地形成化学键,另一端基团与高聚物分子链发生缠绕或交联。
铝酸酯已广泛应用于碳酸钙的表面处理和填充塑料制品及填充母粒等制品的加工中,如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)等。
经二核铝酸酯处理后的轻质碳酸钙可使CaCO3/液体石蜡混合体系的黏度显著下降,改性后的碳酸钙在有机介质中表现出良好的分散性及良好的冲击强度、韧性等力学性能,可显著改善产品的加工性能和物理机械性能,并弥补了碳酸钙粒子表面的晶格缺陷,表面极性减弱,并更多地以原生粒子或低团聚粒子状态存在。
铝酸酯的特点:常温下为白色蜡状固体,熔融和分布过程需要一定的时间。其热分解温度达300℃,具有反应活性大、色浅、无毒、味淡、热分解温度较高、价格低廉、适用范围广等优点,对PVC有良好的协同热稳定性和润滑性,使用时无需稀释,并且包装、运输方便,因此得到广泛应用。
各个厂家生产的铝酸酯产品中有效的化学成分不尽相同,这是由于其非极性的长链烷烃来自于不同的有机酸(如油酸、硬脂酸、石蜡等),导致所生产的铝酸酯的相对分子质量大小不同,价格和性能也有差异。
因此,购买铝酸酯要根据其使用效果选择,而不能一味追求低价格。其他偶联剂也有类似的情况。
另外,值得注意的是铝酸酯易水解,目前只局限于干法表面改性。

作者: 来源:中国选矿技术网
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