改性會議：2025年功能粉體表面改性技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展大會將于11月8日在南京召開，報名請聯(lián)系馮經(jīng)理18301216601，涉及非金屬礦粉體企業(yè)：碳酸鈣、方解石粉、硅微粉、滑石、重晶石、硫酸鋇、硅灰石、高嶺土、膨潤土、云母、硅藻土、凹凸棒石、海泡石、電氣石粉等；功能性粉體企業(yè)：氫氧化鎂、氫氧化鋁、氧化鋁、鈦白粉、白炭黑、氧化鐵紅、珠光云母、導(dǎo)熱填料、氧化鋅、勃姆石、粉煤灰、碳化硅、玻璃微珠、鋁粉、銅粉、納米粉體等；硬脂酸、偶聯(lián)劑等藥劑和改性設(shè)備企業(yè)；塑料、橡膠、涂料等粉體材料下游應(yīng)用企業(yè)。
碳酸鈣粉體作為無機填料在眾多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但較低的表面活性以及與有機材料較差的相容性，限制了其應(yīng)用范圍和效果。因此，對碳酸鈣粉體進行表面改性處理，進而制備成活性碳酸鈣，以增強其與有機基質(zhì)的相容性，成為提高其應(yīng)用性能的關(guān)鍵。
依照改性劑的結(jié)構(gòu)和特點，可將其劃分成表面活性劑、偶聯(lián)劑、聚合物表面改性劑、無機表面改性劑以及助磨改性劑等。
 1、表面活性劑
表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中具備親水性的極性基團與親油性的非極性基團，能有效降低表面張力或液-液界面張力，并產(chǎn)生引發(fā)潤濕、乳化、增溶、分散、起泡及消泡等一系列效果。
表面活性劑能夠通過物理吸附、化學(xué)吸附或者化學(xué)反應(yīng)覆蓋在碳酸鈣顆粒表面，形成一層疏水性膜，進而極大地提升碳酸鈣在有機基體中的相容性和分散性。例如硬脂酸及其鹽等表面活性劑。
磷酸酯能夠與碳酸鈣粉末表面的鈣離子產(chǎn)生反應(yīng)形成磷酸沉積物，并且在碳酸鈣粒子的表面構(gòu)建出包覆層，從而改變其表面特性。
Rao等利用磷酸酯處理納米無定形碳酸鈣，讓其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的球霰石或者方解石相，研究結(jié)果表明，當(dāng)Ca2+濃度是10mmol/L并且反應(yīng)溫度為30℃時，所制備的納米無定形碳酸鈣具備較窄的粒徑分布，在室溫下能夠保持60d不發(fā)生相變，從而優(yōu)化對姜黃素的負(fù)載和釋放特性。
脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)里包含羥基、氨基、巰基、芳香基、芳烷基等功能團，其分子一端的長鏈烷基結(jié)構(gòu)有利于和聚合物的相容性，而另一端的親水性基團比如羥基能夠和碳酸鈣分子產(chǎn)生化學(xué)鍵合作用。在液相中，脂肪酸根離子向碳酸鈣表面遷移并與鈣離子結(jié)合，生成難溶鹽，附著在顆粒表面，經(jīng)成核和生長形成單分子層，其中脂肪酸的親油性基團使碳酸鈣表面轉(zhuǎn)為疏水性，防止顆粒團聚，增強其分散性和聚合物相容性。
Costa等對硬脂酸改性碳酸鈣對疏水性纖維素納米纖絲薄膜性能帶來的影響展開了研究，發(fā)現(xiàn)改性后的碳酸鈣涂層能長久粘附在薄膜上，使其具有持久的疏水性。
表面活性劑以其低成本、種類多、產(chǎn)量高和成熟的改性技術(shù)，廣泛應(yīng)用于碳酸鈣表面改性中。水溶性活性劑的優(yōu)勢在于包覆均勻、質(zhì)量較高，但干燥過程中需控制特定溫度和環(huán)境條件。此外，某些活性劑在水中溶解性差或易分解，使用其他有機試劑則可能提高成本和帶來安全風(fēng)險。
2、偶聯(lián)劑
采用偶聯(lián)劑對碳酸鈣粉體進行表面改性的方法是通過偶聯(lián)劑分子中兩個具有不同性質(zhì)的基團來實現(xiàn)的。一個基團具備親和無機物的特點，能夠和碳酸鈣表面發(fā)生反應(yīng)，構(gòu)建出穩(wěn)定的化學(xué)鍵；另一個基團具有親和有機物的特質(zhì)，可以與有機高分子進行化學(xué)反應(yīng)或者通過機械纏繞作用相結(jié)合，以此將碳酸鈣和高分子材料連接起來，發(fā)揮增強其相容性的作用，也就是說偶聯(lián)劑通過在碳酸鈣表面形成分子橋，明顯改進碳酸鈣與高分子材料的相容性，并且能夠增加填料的使用量，優(yōu)化材料的流變性能。目前常用的偶聯(lián)劑包括鈦酸酯和鋁酸酯。
Cheng等采用硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）和鈦酸酯偶聯(lián)劑（HY-311）結(jié)合超聲對碳酸鈣實施表面改性。結(jié)果表明，HY-311和KH-550偶聯(lián)劑成功包覆在碳酸鈣表面，兩種偶聯(lián)劑用量優(yōu)化顯著提高了碳酸鈣性能。鑒于單一偶聯(lián)劑的效果有限，研究者們開發(fā)了復(fù)合偶聯(lián)劑，通過復(fù)合改性實現(xiàn)了更顯著的協(xié)同增強效果。
3、聚合物改性劑
水溶性高分子材料，例如聚乙烯醇、聚丙烯酸等，可作為表面包覆或改性劑，對超細(xì)碳酸鈣粉體進行包覆改性，提高碳酸鈣粉體與有機基體的相容性。其改性原理是利用聚合物定向吸附在碳酸鈣粒子表面，形成一層帶有同種電荷的包覆層，從而相互排斥，防止粒子之間發(fā)生團聚和結(jié)塊現(xiàn)象。此外，借助物理或化學(xué)吸附作用所形成的聚合物包覆膜，能夠有效提升碳酸鈣在非水介質(zhì)里的分散穩(wěn)定性。
當(dāng)下的策略存在兩種：其一，先使聚合物吸附于碳酸鈣表面，接著引發(fā)聚合反應(yīng)，從而形成包覆膜；其二，把聚合物溶解后和碳酸鈣混合，直接在表面形成包覆層。
Hu等運用苯乙烯-丙烯酸聚合物乳液對納米碳酸鈣進行表面改性，接枝率達(dá)到了90.5%。在噴涂后通過噴霧干燥處理，成功優(yōu)化了改性納米碳酸鈣在聚丙烯基體中的分散性和力學(xué)性能。
Liang等采用新型改性劑JST9001（脂肪醇聚氧乙烯醚復(fù)合改性劑）對碳酸鈣進行改性，然后填充到聚氯乙烯（PVC）基體中制備碳酸鈣/聚氯乙烯復(fù)合材料，以極低用量的改性劑（0.50%）使得碳酸鈣的填充含量高達(dá)60%。此研究通過活化指數(shù)、油相分散穩(wěn)定性和接觸角考察改性劑用量對改性效果的影響，結(jié)果表明所制備的PVC基復(fù)合材料具有良好的機械性能并可降低生產(chǎn)成本。
4、無機物改性劑
無機電解質(zhì)（如六偏磷酸鈉）可以在碳酸鈣表面形成一層疏水性的包覆層，這不但能夠顯著增大碳酸鈣表面電位的絕對值，強化雙電層的靜電排斥作用，而且能夠引發(fā)強烈的空間排斥效應(yīng)，進而改善其分散性。另外，無機物還能夠優(yōu)化碳酸鈣的水潤濕性，進一步提升其分散性，并增強納米碳酸鈣的耐酸性。這類無機物包括縮合磷酸、鋁酸鈉、硅酸鈉、磷酸酯類表面活性劑及明礬等。
例如，日本白石工業(yè)公司采用縮合磷酸（如偏磷酸或焦磷酸）對碳酸鈣粉末進行表面處理，成功開發(fā)出一種改性產(chǎn)品。經(jīng)過處理的碳酸鈣在弱酸性環(huán)境（例如醋酸）中表現(xiàn)出優(yōu)良的溶解性，其表面pH介于5.0至8.0之間，相較于未處理的碳酸鈣，pH降低了1.0至5.0，并顯示出卓越的耐酸性能。這類改性產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于塑料、造紙、橡膠、食品、涂料以及牙膏等領(lǐng)域。
5、助磨改性劑
在碳酸鈣粉體的研磨過程中，粉體會經(jīng)過“裂紋形成→裂紋擴展→裂紋斷裂→裂紋再次形成”的循環(huán)。隨著粉碎過程的不斷進行，團聚現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，這不僅影響設(shè)備的產(chǎn)能，增加電耗和粉塵污染，還導(dǎo)致產(chǎn)品粒度分布過寬，成為碳酸鈣行業(yè)普遍面臨的難題。
為了解決這一問題，企業(yè)通常會在粉碎階段加入助磨劑對碳酸鈣進行表面改性。在粉碎過程中，礦物的反向解離暴露出具有較高活性的非飽和質(zhì)點，而助磨劑則利用此時碳酸鈣表面質(zhì)點活性最強的時機進行改性。助磨劑通過吸附在粉體表面缺陷處，形成穩(wěn)定的界面，降低表面缺陷濃度，從而提高粉體的球形度，改善破碎效率和粒徑分布，確保最佳的包覆效果，維持其穩(wěn)定性，防止二次團聚和細(xì)粉吸油量過高的問題，顯著提升粉體的流動性和分散性，優(yōu)化分級效果。此舉不僅提升了粉廠的附加值，還促進了下游工廠提高填充量，改善加工工藝。
助磨劑的類別繁多，主要劃分為極性與非極性這兩大類。極性助磨劑涵蓋三乙醇胺、醋酸銨、乙二醇、丙二醇、葵酸、環(huán)烷酸等等；非極性助磨劑一般為非離子型物質(zhì)，像石墨、焦炭、石膏、煤、松醇等等。
另外，還存在復(fù)合型助磨劑，包含有機混合物、有機與無機的混合物以及無機混合物等類型。
然而，短鏈結(jié)構(gòu)的助磨劑（如乙二醇）因其低沸點，在高溫環(huán)境下易揮發(fā)，不僅降低磨粉效率，還可能造成環(huán)境污染。此外，乙二醇等陰離子表面活性劑在非水性分散體系中的穩(wěn)定性較差，可能導(dǎo)致親水基團與非極性顆粒解吸，引起拉伸制孔過程中的受力不均勻，從而導(dǎo)致透氣孔大小不均一，進而影響透氣膜的性能，降低其使用價值。因此，選擇合適的助磨劑對于提升碳酸鈣等無機材料的制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。
資料來源：《張毅,王志遠(yuǎn),廉麗,等.超細(xì)碳酸鈣粉體的表面改性及其功能母粒的研究進展[J].化學(xué)研究,2025,36(03):222-238》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉(zhuǎn)載請注明出處！
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