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一文了解碳酸钙晶须的表面改性及其应用


来源:中国粉体网   平安

[导读]  碳酸钙晶须是一种新型针状材料,因其结晶形式为单晶,晶体内部几乎无缺陷,具有强度高、模量高、耐热与隔热性好等优良特性,与塑料复合时和基体树脂的相容性好,可以改善制品的加工性能,提高力学性能,所以广泛应用于汽车、塑料、电气部件制造、高光洁度结构部件制造等领域。

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1、碳酸钙晶须简介

碳酸钙晶须是一种新型针状材料,因其结晶形式为单晶,晶体内部几乎无缺陷,具有强度高、模量高、耐热与隔热性好等优良特性,与塑料复合时和基体树脂的相容性好,可以改善制品的加工性能,提高力学性能,所以广泛应用于汽车、塑料、电气部件制造、高光洁度结构部件制造等领域。碳酸钙晶须有方解石、文石和球霞石3种类型,目前大量使用和正在研究的碳酸钙晶须几乎都是方解石型,而文石型、球霞石型制品很少。



(图片来源:网络)

2、碳酸钙晶须的改性研究

由于CaCO3表面CO32-离子有相当大比例可被水解,导致粒子表面因存在大量的羟基而变为亲水疏油,在有机介质中难于均匀分散,与基料之间没有结合力,易造成界面缺陷。根据氢键作用理论,CaCO3粒子干燥时,表面羟基相互作用形成氢键,粒子间依靠氢键作用而相互聚集,从而形成硬团聚。所以必须对CaCO3晶须进行表面改性,以降低表面能,减小CaCO3颗粒间的附聚力,改善在基体中的分散性和分散稳定性,降低两相界面张力,调节疏水性,提高与有机基料之间的润湿性和结合力。

将晶须表面处理后用于PVC、HDPE等塑料的填料,可以有效地改善填料与基体之间的界面状况,增强界面粘接强度,达到提高弯曲强度、冲击强度以及尺寸稳定性等目的,从而替代价格昂贵的工程塑料,用于汽车、化工、家电等高附加值领域。改性晶须还可用于提高材料耐磨性,碳酸钙晶须耐温性好,用于摩擦材料可以显著提高耐磨性,另外,改性碳酸钙晶须可广泛应用于电气部件制造、高光洁度结构部件制造等领域。

目前碳酸钙的改性方法有很多,如局部反应改性、表面包覆改性、高能表面改性及机械化学改性等。其中局部反应改性因方法简单易行而应用最多,尤其适合于表面活性剂与偶联剂类表面改性。目前,用表面活性剂(硬脂酸和硬脂酸钠)改性碳酸钙晶须是工业上碳酸钙表面改性最为成熟的技术,但是改性之后的碳酸钙晶须在用作PVC、HDPE等塑料的填料时,仍然有一定的不足,如在塑料中填充不均匀,影响其力学性能等。

国内外学者对碳酸钙粉末的改性进行了研究,在国外,日本和美国均进行了碳酸钙晶须的研究与开发,并有不少相关专利发表。日本在碳酸钙粉末表面改性处理方面处于领先地位,如日本丸尾钙株式会社开发的产品特点为:价格低,经济性好;增强制品内部各向同性且表面平滑;耐热性好,折射率接近树脂,已应用于塑料、橡胶、医学、化妆品等许多领域。英国著名的ICI公司开发的汽车底漆专用碳酸钙粉末产品长期垄断整个欧洲市场。

陈晰等研究了3种硬脂酸系改性剂对碳酸钙晶须表面处理的影响,结果表明,经改性处理后,碳酸钙晶须表面粗糙并包覆一层表面改性剂,且由透明变为不透明。表面性能提高,硬脂酸改性的复合材料综合物理性能较优。

李均等利用双螺杆挤出机制备了聚丙烯(PP)、碳酸钙晶须芳纶浆粕系列复合材料,比较了硬脂酸锌与聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)改善相容性的效果。结果表明,PP-g-MAH改善了纤维与PP基体以及碳酸钙晶须与PP基体之间的亲和性,效果要好于硬脂酸锌。

张家林等分别采用铝钛复合偶联剂和钛酸酯偶联剂改性碳酸钙晶须,通过测定改性后碳酸钙晶须的活化度、吸油值及黏度作为改性效果评价指标,确定两种改性剂改性碳酸钙晶须最佳工艺条件。

3、碳酸钙晶须的应用

(1)增强塑料

碳酸钙晶须增强塑料的应用,具有以下特点:有纤维增强和填充能力;优良的表面光滑性能及很高的尺寸稳定性;加工性好;使用性能好;造价低廉。故在工程塑料方面具有广阔的市场前景。从部分文献资料看,对碳酸钙晶须作为增强剂研究较多的材料有PP,其次是尼龙、PBT、PVC等。

(图片来源:网络)

(2)摩擦材料

碳酸钙晶须耐温性好,用于摩擦材料可以显著提高耐磨性,而且碳酸钙晶须成本低廉,是替代石棉摩擦材料的理想产品。20世纪90年代,碳酸钙晶须就已被应用到作为摩擦材料的汽车刹车片和离合器中,用以防止高温下摩擦材料耐磨性能和摩擦系数的下降。

(图片来源:网络)

(3)造纸

由于碳酸钙晶须具有特殊的柱状方向性,作造纸填料时能够与原纸表面平行而紧密地排列,而且其白度和填充性都很高,与用粒状碳酸钙填充的纸张相比,显示出优越的印刷适应性。尤其是在一些特殊要求的纸张中,更具有良好的应用前景。

(图片来源:网络)

(4)涂料

碳酸钙晶须还可作为涂料的增粘剂,能很好地改善涂料的粘度,增加触变性,提高涂料的抗开裂、附着力、粘结强度等性能。

(图片来源:网络)

4、小结

尽管碳酸钙晶须还有很多使用中的问题,有待进一步研究和完善,但其具有发展潜力的高性价比,使其成为继纳米碳酸钙之后的又一新型填料,具有很好的生产和应用前景。

参考资料:

李丽匣.碳酸钙晶须表面改性研究

张咏梅等.碳酸钙晶须的表面改性研究

周莉等.碳酸钙晶须表面聚合改性方法的研究

杨涛.碳酸钙晶须制备、表面改性及应用

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