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      技術進展
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      納米碳酸鈣為什么要進行表面改性?有哪些改性方法?
      來源:中國粉體技術網    更新時間:2020-09-28 16:41:01    瀏覽次數:
       
        納米碳酸鈣是指粒徑為1-100nm的功能性無機填料,超細化使其晶體結構和表面電子結構發生變化,具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子效應,廣泛應用于橡膠、塑料、造紙、化學建材、油墨、涂料、密封膠與膠粘劑等領域。
        
        1、納米碳酸鈣為什么要改性?
        
        納米碳酸鈣由于其粒子納米化,具有優良的性能,但是其應用于有機介質中存在兩大缺陷:一是納米碳酸鈣為表面親水疏油的無機材料,在聚合物中的分散性差,與有機體的親和力差,容易形成團聚體,直接應用效果不好,導致材料性能下降;
        二是納米碳酸鈣粒徑小,表面原子數多,表面能大,粒子之間相作用力強,容易形成納米碳酸鈣粉體的團聚。隨著納米碳酸鈣使用量的增大,這些缺陷更加明顯,過量的填充會使得材料無法使用。
        因此,需要采用有效的改性手段和工藝對納米碳酸鈣進行表面改性,使其表面能降低,分散性增大,使其表面親油,成為活性納米碳酸鈣。
        
        2、納米碳酸鈣改性方法
        目前,用于納米碳酸鈣表面改性的方法主要有:表面包覆改性、微乳液改性、高能表面改性、機械化學改性法及局部化學反應改性。
        
        (1)表面包覆改性
        表面包覆改性指表面改性劑與納米碳酸鈣表面無化學反應,是一種物理包覆改性,改性劑與顆粒之間依靠物理方法或范德華力而連接的改性方法。首先在制備納米碳酸鈣的溶液中加入表面活性劑,納米碳酸鈣生成的同時,表面活性劑包覆在其表面,使其形成均勻的納米顆粒。
        (2)微乳液改性
        微乳液改性法是在納米碳酸鈣表面包上一層其他物質的膜,改變粒子表面的特性,與表面包覆改性不同的是包覆的膜是均勻的。
        柯昌美等分別采用納米級聚丙烯酸酯微乳液和丙烯酸酯乳液對納米碳酸鈣進行表面改性,并對改性之后的活性納米碳酸鈣的結構和性能進行表征。發現改性之后的納米碳酸鈣吸油值降低、親油性大大增強,在非極性介質中分散性顯著提高。
        (3)機械化學改性法
        機械化學改性是利用超細粉碎及其他的強烈機械力作用有目的地激活碳酸鈣粒子表面,以改變碳酸鈣的表面晶體結構和物理化學結構,使碳酸鈣中分子晶格發生位移,增強其與有機物或其他無機物的反應活性,包括球磨、珠磨、超聲等。
        機械化學改性法對于大顆粒的碳酸鈣比較有效,由于納米碳酸鈣粒徑很小,再通過機械的粉碎、研磨等方法效果并不顯著。但該方法可增加納米碳酸鈣表面的活性位點和活性基團,增強其與有機表面改性劑的作用,因此,如果可以結合其他改性方法聯合使用,也可有效改變納米碳酸鈣的表面性質。
        
        (4)局部化學反應改性
        局部化學反應改性主要利用納米碳酸鈣表面的官能團與改性劑之間進行化學反應來達到改性的目的。局部化學反應改性主要分為濕法改性和干法改性兩種工藝[。
        濕法改性一般是將改性劑直接投入到納米碳酸鈣懸浮液中,在一定溫度下讓改性劑和納米碳酸鈣粉末混合均勻,反應之后形成表面改性劑包覆納米碳酸鈣粉末的雙膜結構,再經過濾、干燥、篩分得到表面改性的活性納米碳酸鈣。水溶性的表面活性劑較適合用濕法改性工藝,因為表面活性劑同時具有親水基團和親油基團,親水基團與納米碳酸鈣之間有親和性,親油基團與橡膠之間有親和性,當表面活性劑處于納米碳酸鈣和橡膠之間時,二者緊密結合,這類水溶性表面活性劑主要是高級脂肪酸及其鹽類。
        干法改性則是直接將納米碳酸鈣粉末與改性劑直接加入高速捏合機中進行捏合,簡單方便,出料后可直接進行包裝,易于運輸和出料。這種方法得到的納米碳酸鈣粉末表面不太均勻,適用于對其要求不高的場合,但處理方法操作簡單,因而應用廣泛。
        (5)高能表面改性
        高能表面改性包括高能射線(γ射線、X射線等)、等離子體處理等方法。
        輻照處理改性法是使用電子加速器產生的高能輻射對碳酸鈣進行表面激活,再將表面產生活性點的粉體與單體反應,在碳酸鈣顆粒表面形成一層有機包覆層,從而改善填料的表面性質及與高分子材料的相容性,達到改性的目的。
        等離子體改性法主要是采用輝光放電等離子體系統,并用一種或多種氣體為等離子體處理氣體。等離子體對碳酸鈣粉體的表面改性主要是利用等離子體聚合技術。等離子體聚合技術是通過激勵活化有機化合物的單體,形成氣相的自由基,當氣相自由基吸附在碳酸鈣表面時,形成表面自由基,表面自由基與氣相原始的單體或等離子體中產生的衍生單體在碳酸鈣表面發生聚合反應,生成大分子量的聚合物薄膜包覆在碳酸鈣表面,從而改變碳酸鈣的表面性質,達到改性的目的。
        但是高能改性法技術比較復雜、成本較高、生產能力小、改性效果不穩定,因此應用比較少。
        
        來源:周威.納米碳酸鈣的表面改性以及中空米粒狀碳酸鍶與中空纖維狀碳酸鋇的制備[D].華南理工大學,2018.
        
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