（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/文龍）碳酸鈣晶須是近年出現(xiàn)的一種新型針狀材料，因其結(jié)晶形式為單晶，晶體內(nèi)部幾乎無缺陷，具有強(qiáng)度高、模量高、耐熱與隔熱性好等優(yōu)良特性，與塑料復(fù)合時和基體樹脂的相容性好，可以改善制品的加工性能，提高力學(xué)性能，以廣泛應(yīng)用于汽車、塑料、電氣部件制造、高光潔度結(jié)構(gòu)部件制造等領(lǐng)域。
由于CaCO3表面CO32-離子有相當(dāng)大比例可被水解，導(dǎo)致粒子表面因存在大量羥基而變?yōu)橛H水疏油，在有機(jī)介質(zhì)中難于均勻分散，與基料之間沒有結(jié)合力，易造成界面缺陷，必須對CaCO3晶須進(jìn)行表面改性。通過改性，可以減小CaCO3顆粒間的附聚力，改善在基體中的分散性及穩(wěn)定性，降低兩相界面張力，調(diào)節(jié)疏水性，提高與有機(jī)基料之間的潤濕性和結(jié)合力，進(jìn)而改善復(fù)合材料的性能。
本文采用幾種改性劑對碳酸鈣晶須進(jìn)行表面改性，從中選擇改性效果較好的改性劑進(jìn)行條件試驗，分別考察改性劑用量、改性溫度、改性時間、攪拌轉(zhuǎn)速、烘干溫度等因素對碳酸鈣晶須表面改性效果的影響，得出最佳的改性工藝技術(shù)。
1. 實驗部分
1.1 實驗原料
文石相碳酸鈣晶須，文石相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.9%，晶須平均長度為22.8μm，平均長徑比為14.1。
1.2 實驗試劑
硬脂酸、硬脂酸鈉、十八酸鋅、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、鈦酸酯NDZ101、鈦酸酯NDZ401、鋁酸酯、聚丙烯酰胺和硅烷KH570，均為分析純。
1.3 實驗設(shè)備
數(shù)顯懸臂式攪拌機(jī)，RW20.n型；接觸角測量儀，HARKE-CA型。
1.4 改性方法
取不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鈣晶須料漿300mL，水浴加熱攪拌，一定溫度下逐漸加入改性劑的10mL無水乙醇溶液，改性處理一定時間后趁熱過濾，干燥后即得到改性碳酸鈣晶須產(chǎn)品。
2. 樣品表征
活化指數(shù)法通過測定水上的漂浮量，反映礦物粉體的改性程度。采用接觸角測定儀，測定水滴的接觸角θ，取三次的平均值為該樣品的接觸角。
3. 結(jié)果與討論
3.1 改性劑種類對碳酸鈣晶須改性效果的影響
實驗采用了以下幾種改性劑。由表1可以看出，鈦酸酯NDZ101、硬脂酸鈉、硬脂酸和十八酸鋅改性后產(chǎn)品的活化指數(shù)最大，其余的改性劑效果明顯比較差，甚至不起作用，接觸角的測定結(jié)果也說明了這一點，有的產(chǎn)品甚至將水珠吸收。在三種改性劑中硬脂酸鈉改性產(chǎn)品的接觸角最大，且成本較低，所以選用硬脂酸鈉作為碳酸鈣晶須的改性劑。
表1 不同改性劑對碳酸鈣晶須改性效果的影響
3.2 改性劑用量的影響
不同的改性劑用量對碳酸鈣晶須改性效果的影響如圖1所示。
圖1 改性劑用量與活化指數(shù)和接觸角的關(guān)系曲線
通過圖1，本試驗最終確定硬脂酸鈉改性碳酸鈣晶須的最佳改性劑用量為3%。
3.3 改性時間的影響
不同的改性時間對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖2。
圖2 改性時間與活化指數(shù)和接觸角的關(guān)系曲線
由圖2可知，改性時間短，硬脂酸鈉不能完全吸附在碳酸鈣晶須表面，改性時間為20min時，活化指數(shù)及接觸角達(dá)到最大，說明改性劑已完全包覆在碳酸鈣晶須的表面。隨著改性時間的延長，由于劇烈的攪拌，有一部分物理吸附在物料表面的改性劑又發(fā)生脫落，所以選定改性時間為20min。
3.4 改性溫度的影響
不同的改性溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖3。
圖3 改性溫度與活化指數(shù)和接觸角的關(guān)系曲線
在室溫20℃下對碳酸鈣晶須進(jìn)行改性時，活化指數(shù)、接觸角已達(dá)99.4%和125.85℃，隨著改性溫度的升高，活化指數(shù)和接觸角的數(shù)據(jù)沒有大的變化，但所得改性產(chǎn)品烘干后較為蓬松，解聚更為容易，另外考慮到節(jié)能等因素，選擇改性溫度為80℃。
3.5 攪拌轉(zhuǎn)速對碳酸鈣晶須改性效果的影響
攪拌轉(zhuǎn)速對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖4。
圖4 攪拌轉(zhuǎn)速與活化指數(shù)和接觸角的關(guān)系曲線
隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，活化指數(shù)和接觸角逐漸增大，說明攪拌轉(zhuǎn)速越大，改性劑和碳酸鈣晶須的分散性越好，改性劑分子和碳酸鈣晶須接觸的機(jī)會越多，改性越均勻，且攪拌轉(zhuǎn)速越大，所得產(chǎn)品在烘干后越松散，解聚越容易。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 r/min時，活化指數(shù)達(dá)到最大，接觸角也達(dá)到147.22°，綜合考慮各因素，選擇最佳攪拌轉(zhuǎn)速為1500 r/min。
3.6 烘干溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響
烘干溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖5。
圖5 烘干溫度與活化指數(shù)和接觸角的關(guān)系曲線
當(dāng)烘干溫度小于100℃時，隨著烘干溫度的增加，活化指數(shù)及接觸角都逐漸增大；當(dāng)烘干溫度達(dá)到100℃時，活化指數(shù)達(dá)到最大值100%，接觸角達(dá)到146.66°，隨著烘干溫度繼續(xù)增大，活化指數(shù)和接觸角反而減小，產(chǎn)品的白度逐漸降低。當(dāng)烘干溫度達(dá)到150℃時，產(chǎn)品甚至變?yōu)樯铧S色，這是由于吸附在碳酸鈣晶須表面的改性劑顏色發(fā)生了變化造成的。
4. 結(jié)論
硬脂酸鈉改性碳酸鈣晶須的最佳試驗條件是：改性劑用量3%，改性溫度80℃，改性時間20 min，攪拌轉(zhuǎn)速1500 r/min，烘干溫度100℃，烘干時間3 h。在最佳試驗條件下，改性產(chǎn)品的活化指數(shù)為100%，接觸角為146.66°。
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