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1、前言
何為粉體表面改性技術(shù)？用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法對粉體材料表面或界面進(jìn)行處理，有目的地改變粉體材料表面物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)手段。
粉體表面改性技術(shù)，能改變碳酸鈣粉分散性差，與有機(jī)體相溶性差的劣勢，能以較低的成本提高鈣粉的用量，拓寬鈣粉的應(yīng)用范圍。
碳酸鈣
2、改性方法和原理
目前，碳酸鈣改性的主流方法有偶聯(lián)劑改性、硬脂酸鹽改性、磷酸酯類改性、原位聚合法改性、表面聚合物接枝改性等。但是由于成本與易操作性的原因，目前最常用的是偶聯(lián)劑改性和脂肪酸鹽改性。
從碳酸鈣的改性機(jī)理看，大致可以分兩種，一種是化學(xué)作用，一種是物理作用。表面化學(xué)作用，如官能團(tuán)的取代、聚合、接枝和水解等。表面物理作用，例如其相界面發(fā)生的吸附、包覆、浸潤等反應(yīng)，當(dāng)填料完全被潤濕時(shí)，碳酸鈣的高能表面會(huì)發(fā)生物理吸附，該能量高于塑料內(nèi)聚黏結(jié)強(qiáng)度。
3、碳酸鈣表面改性的目的
一般而言，對碳酸鈣進(jìn)行表面改性，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目的。
（1）降低粒子間的內(nèi)聚力，提高碳酸的分散性；
（2）提高碳酸的表面活性；
（3）改善碳酸鈣與其他物質(zhì)的相容性；
（4）提高碳酸鈣的耐酸性；
（5）制備特定晶型的碳酸鈣用于不同行業(yè)。
從改性技術(shù)發(fā)展的角度來看，提高表面改性效果，降低表面改性成本，發(fā)展綠色改性劑和優(yōu)化改性設(shè)備等都是重要發(fā)展方向。
以提高碳酸鈣粉體分散性而言。目前，超細(xì)化是碳酸鈣發(fā)展和應(yīng)用的趨勢，但粒徑越小，表面能越高，粒子吸附作用越強(qiáng)，團(tuán)聚現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致碳酸鈣無法應(yīng)用。如果對超細(xì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，則可使改性劑定向吸附在碳酸鈣表面，使其表面具有電荷特性，由于同種電荷的排斥性，碳酸鈣就不易團(tuán)聚，從而在基體中實(shí)現(xiàn)良好的分散。
以改善碳酸鈣與其他物質(zhì)的相容性而言。未經(jīng)表面改性處理的碳酸鈣具有親水性，極性較強(qiáng)，與有機(jī)聚合物相容和分散性較差，易造成復(fù)合材料出現(xiàn)界面缺陷，降低材料的機(jī)械強(qiáng)度。表面改性能讓碳酸鈣完成“親油疏水”的轉(zhuǎn)變，可增大碳酸鈣與有機(jī)體的界面的相容性及親和性，從而提高其與橡膠或塑料等復(fù)合材料的物理性能。
4、碳酸鈣用偶聯(lián)劑和表面活性劑改性
（1）偶聯(lián)劑改性
偶聯(lián)劑能在兩種極性相差較大的材料之間形成結(jié)合界面，從而達(dá)到改性目的。偶聯(lián)劑改性是碳酸鈣改性的主流方法之一。其改性機(jī)理為：帶有親無機(jī)物基團(tuán)的一段與納米碳酸鈣表面的官能團(tuán)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵；帶有親有機(jī)物基團(tuán)的另一端則與聚合物分子鏈發(fā)生反應(yīng)。常見的偶聯(lián)劑有鈦酸脂偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑等。
（2）表面活性劑改性
表面活性劑改性主要分為，脂肪酸鹽改性、磷酸酯類改性、季銨鹽類改性等方法。
硬脂酸：硬脂酸鹽屬于陰離子改性劑，硬脂酸分子中含有羥基基團(tuán)，可以和納米碳酸鈣表面的鈣離子形成脂肪酸鈣沉淀，沉積在納米碳酸鈣表面。此時(shí)可以認(rèn)為脂肪酸鈣沉淀在碳酸鈣表面形成了一層膜，對碳酸鈣分子有包覆作用，而另一端得到的改性碳酸鈣表面形成具有長鏈的烷基烴結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相容性。
磷酸酯：磷酸酯類表面改性劑與納米碳酸鈣中的Ca2+離子反應(yīng)，在納米碳酸鈣表面形成一層磷酸酯包覆層。磷酸酯比較容易在聚合物機(jī)制中分散，從而使納米碳酸鈣的親水性向親油性轉(zhuǎn)變。
季銨鹽：季銨鹽類表面活性劑是最常用的陽離子型表面活性劑，它的作用機(jī)理是通過季銨鹽的正電荷與碳酸鈣表面發(fā)生吸附作用，而另一端與聚合物產(chǎn)生交聯(lián)作用對碳酸鈣的表面進(jìn)行改性。
在碳酸鈣表面改性技術(shù)中，改性劑是實(shí)現(xiàn)粉體表面改性預(yù)期目的的關(guān)鍵，但改性劑種類繁多，且具有很強(qiáng)的針對性，實(shí)際運(yùn)用技術(shù)復(fù)雜多變。因此，系統(tǒng)學(xué)習(xí)改性知識，知其然，知其所以然十分必要。
3月16~17日，第二屆全國碳酸鈣產(chǎn)業(yè)高值化發(fā)展交流大會(huì)將在河南·南陽舉行，屆時(shí)中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院教授鄭水林將在大會(huì)上做《碳酸鈣粉體表面改性》主題報(bào)告，詳細(xì)闡述重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、納米碳酸鈣的表面改性方法、工藝、改性劑配方及其選擇原則等一系列的專業(yè)知識和研究成果，為活性鈣生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)解疑答惑。
專家介紹
鄭水林，工學(xué)博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）教授/博士生導(dǎo)師；中國硅酸鹽學(xué)會(huì)常務(wù)理事、礦物材料分會(huì)理事長；中國顆粒學(xué)會(huì)常務(wù)理事、顆粒制備與處理專委會(huì)副主任；中國非金屬礦工業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員。
研究方向：礦物材料、粉體表面改性、非金屬礦深加工等。
主要業(yè)績：培養(yǎng)畢業(yè)研究生100多人；專著20多本；發(fā)表論文500多篇；授權(quán)發(fā)明專利50多項(xiàng)；獲省/部級科技一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、優(yōu)秀圖書一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、綠色礦山（2019）突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)；科學(xué)中國人【2017】年度人物。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）
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