重質碳酸鈣的表面改性研究
任曉玲，駱振福，吳成寶，楊玉芬，蓋國勝
任曉玲，駱振福，吳成寶，楊玉芬，蓋國勝
摘要：為了考察表面改性劑及原料粒徑對重質碳酸鈣改性效果的影響，以硬脂酸和鋁酸酯作為改性劑，采用干法改性方法研究了這兩種改性劑對５種不同粒徑碳酸鈣的改性效果，并用濁度和ＳＥＭ 表征碳酸鈣的改性效果．結果表明：對于相同粒徑的碳酸鈣，隨著改性劑添加量的增加，活化度先增后降，在活化度的最高點，碳酸鈣表面包覆的改性劑為奇數層；對于同一種改性劑，其最佳添加比例隨碳酸鈣粒徑大小的不同而不同，碳酸鈣的粒度越小，其達到最佳活化度時所需改性劑的添加量越多；改性后的碳酸鈣晶體解理面減少，顆粒表面更加光滑．
關鍵詞：重質碳酸鈣；表面改性；硬脂酸；鋁酸酯；濁度
碳酸鈣是一種重要的工業(yè)礦物原料．重質碳酸鈣又稱研磨碳酸鈣，是用機械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白奎、貝殼等制得的一種無機化工原料．由于碳酸鈣原料易得、價格合理、加工性能好，因而將其作為塑料、橡膠、涂料、密封劑及造紙等工業(yè)中的填充劑．然而采用常規(guī)工藝制造的碳酸鈣具有親水疏油的表面特性，只能起增量和填充的作用．為了克服碳酸鈣自身的特點，使其成為一種補強填充改性材料，需對其進行改性．硬脂酸和鋁酸脂是常用的重質碳酸鈣改性劑，鄭水林用硬脂酸干法改性碳酸鈣時改性劑的用量一般為０．８％～１．５％．錢海燕等用干法改性重質碳酸鈣時，鋁酸酯偶聯(lián)劑的用量大約是原料重量的１％～２％，硬脂酸用量一般為粉體加入量的 ０．８％～１％．因為這些文獻僅說明了改性劑的添加量所在的一個合適的添加范圍，并且在實際的工業(yè)生產過程中，所需改性劑的適當添加量往往因產品目數的不同而不同，所以在改性劑合適的添加范圍內探索合適的添加量并找出改性劑添加量的變化對不同粒徑的碳酸鈣改性效果的影響規(guī)律是很有意義的一項工作．
本文應用干法表面改性處理方法制備了硬脂酸和鋁酸酯改性重質碳酸鈣，將濁度作為評價重質碳酸鈣改性效果的指標，考察在常壓條件下，表面改性劑的不同添加量對重質碳酸鈣的改性效果．從而確定表面改性劑在改性不同重質碳酸鈣時達到最佳活化效果時的合理添加量，
進而為重質碳酸鈣的工業(yè)應用提供依據．
１實 驗
１．１試樣及方法
粒度Ｄ９７＝１８μｍ和 Ｄ９７＝１０μｍ 的重質碳酸鈣由長興金石超細粉體有限公司提供，粒度 Ｄ９７＝１３μｍ 的重質碳酸鈣由浙江清大粉體材料有限公司提供，Ｄ９７＝２．５μｍ和 Ｄ９７＝１．７５μｍ的重質碳酸鈣由江西新余恒輝礦業(yè)有限公司提供．硬脂酸和鋁酸酯從常州雙盛塑膠有限公司購買．由于碳酸鈣表面分布著大量親水性較強的羥基，呈現較強的堿性．硬脂酸分子的一端為 Ｃ１７的烷基，其結構與聚合物相似．而分子的另一端為ＲＣＯＯ－基 團，其 與 碳 酸 鈣 漿 液 中 的 Ｃａ2＋，ＣａＨＣＯ３＋，ＣａＯＨ＋等組分反應生成脂肪酸鈣沉淀物，包覆在碳酸鈣粒子表面，使碳酸鈣的表面性質由親水變成親油．而偶聯(lián)劑的作用機理是偶聯(lián)劑分子中的極性基團（親水性）可與粉體表面的各種官能團反應，形成強有力的化學鍵合．鋁酸酯偶聯(lián)劑改性碳酸鈣的粒子結構如圖１所示。
１．２ 重質碳酸鈣改性及評價
本實驗采用干法表面改性，先將碳酸鈣烘干４ｈ，同時將 小 型 控 溫 高 速 攪 拌 機 的溫 度 升 高 到 ７０℃，再稱?。保耄缣妓徕}倒入高攪機中后啟動攪拌按鈕，攪拌物料使其溫度升高７０ ℃后將事先稱好的改性劑倒入粉料中，最后攪拌改性１５ｍｉｎ出料．改性工藝如圖２所示．
２結果與討論
２．１改性劑添加量對改性效果的影響
詳細研究了改性劑的用量對５種粒徑的碳酸鈣表面改性效果的影響，圖３為硬脂酸、鋁酸酯加量對 １８μｍ 重質碳酸鈣活性的影響．從圖３ａ可以看出：當硬脂酸添加量較小時，隨著表面活性劑添加量的增加，其濁度值先有所增加，活化度提高，當硬脂酸的添加量進一步增加時，其濁度值反而降低活化度下降；硬脂酸添加比例在０．７％～１．０％之間選取時，其濁度值出現一個最高值，此時的添加量為０．７５％；根據相似相容原理，在這個改性比例下，被活化的碳酸鈣較多，改性效果較好．由圖３ｂ可以看出，在鋁酸酯的添加量介于１．０％～１．５％之間時，改性１８μｍ 碳酸鈣的濁度值出現一個峰值，選１．２％為此時的添加量．
圖４為硬脂酸、鋁酸酯添加量對１３μｍ 重質碳酸鈣活性的影響．在實驗考察的添加范圍內，改性重質碳酸鈣的活性先隨表面改性劑的增加而增加，之后隨添加量的增加而降低．當硬脂酸的添加量為０．８５％ 時 出 現 一 個 濁 度 值 峰 值，添 加 量 在０．６％～0．９％之間；鋁酸酯的添加量為１．３％時出現一個濁度值峰值，添加量介于０．６％～１．５％之間．
硬脂酸、鋁酸酯添加量對 １０μｍ 重質碳酸鈣活性的影響分別如圖５所示．
硬脂酸改性１０μｍ 重質碳酸鈣的濁度值先隨添加量急劇增加，達到最高點后，濁度值則隨之迅速降低，當添加量大于１．０％ 后，其濁度值變化甚?。疂岫戎捣逯党霈F在添加量為 ０．９％；鋁酸酯改性１０μｍ 重質碳酸鈣的濁度值隨添加量的變化與圖４ｂ的 變 化 趨 勢 相 似，其峰值出現在添加量為１．３％處，而添加量介于１．１％～１．４％之間．
圖６為硬脂酸、鋁酸酯的添加量對２．５μｍ 重質碳酸鈣活性的影響．可以看出，在實驗考察的添加范圍內，硬脂酸的最佳添加量為 １．１％．而鋁酸酯的最佳添加量為１．５％。
硬脂酸、鋁酸酯的添加量對１．７５μｍ 重質碳酸鈣活性的影響如圖７所示．可以看出，在考察的添加 范 圍 內，硬脂酸、鋁酸酯的最佳添加量均為１．８％．
如果包覆三層改性劑時其表面再次變?yōu)橛H油疏水型，由此可知，活化鈣表面包覆的改性劑一定是奇數層．
２．２改性重質碳酸鈣的
ＳＥＭ圖像為考察改性前后重質碳酸鈣的表面形貌變化，采用ＳＥＭ觀察了重質碳酸鈣原料和在實驗考察的范圍內濁度值最高，改性效果最好的樣品的表面形貌，在此列舉出未改性的和改性后的１３μｍ 以及１０μｍ 重質碳酸鈣的ＳＥＭ 圖像，如圖８，9所示．
３ 結 論
１）用硬脂酸或鋁酸酯改性重質碳酸鈣，改性劑的添加量有一個最佳值，隨著改性劑添加量的增多，重質碳酸鈣的活化度先升后降．根據相似相容原理，以最佳添加 比例改性的碳酸鈣活化效果最好，濁度值也最高，改性后的活化鈣表面為親油疏水型，而且表面包覆的改性劑為奇數層．１８μｍ 碳酸鈣用硬脂酸改性需要添加０．７５％，用鋁酸酯改性需要添加
１．２％；１３μｍ 碳酸鈣用硬脂酸和鋁酸酯改性所需添加量分別是０．８５％和１．３％；１０，２．５和１．７５μｍ 碳酸鈣用硬脂酸改性所需添加量分別是０．９％，１．１％和１．８％，１０，２．５和１．７５μｍ 碳酸鈣用鋁酸酯改性所需添加量分別為 １．３％，１．５％和１．８％。
２）由于比表面積大，粒度越細的碳酸鈣所需要用的改性劑也越多，在良好的分散狀態(tài)下，
粒度越細的碳酸鈣，活化度也越高．
來源：中國知網
