材料表面改性

1、材料表界面结课论文材 料 表 面 改 性 材料工程系学生姓名： 学号： 高分子材料与工程系 部： 专 业： 二一四年十一月碳酸钙表面改性 1 前言 碳酸钙是一种重要无机填料,它的使用已有100余年历史,由于其具有价格低廉、无毒、无刺激性、色泽好、白度高等优点,广泛应用于橡胶、塑料、造纸、食品、医药等工业部门.碳酸钙可分为重质、轻质及活性三种产品.其中活性碳酸钙是重质或轻质碳酸钙经表面活化处理所制得的碳酸钙产品.近年来,活性碳酸钙的应用研究方面发展较快,作为一种无机填料,其在工业生产中发挥着越来越重要的作用。在用作橡塑制品填料时，由于碳酸钙表面存在较强的亲水性羟基，呈亲水疏油性，与有机高聚物之间

2、的极性差异较大，相容性不好，本身易团聚。为了增强碳酸钙在高聚物中的浸润性，消除表面高势能，提高其在复合材料中的分散性能和疏水亲油性，改进碳酸钙填充复合材料的加工和力学等综合性能，并提高其在复合材料中的填充量，迫切需要采用各种表面改性剂和相应的改性技术对碳酸钙粉体进行表面改性，进而拓宽碳酸钙的应用领域，使其成为一种功能性补强、增韧改性的填充材料。 2 碳酸钙粉体的表面改性 活性碳酸钙的构型一般分三层,第一层为碳酸钙颗粒,起填充增容的作用,为改性剂的载体;第二层为偶联层,由表面改性剂组成,起加强碳酸钙颗粒与高聚物的结合力,使两者相容性增强:第三层为分散层,由分散剂构成,起到提高碳酸钙颗粒在有机材料

3、中均匀分散,避免产生团聚。碳酸钙的活性改性实际上就是选择特定的表面改性剂,对碳酸钙颗粒表面进行包覆处理,使之成为功能填充材料。表面改性剂的种类和改性工艺将直接影响表面改性效果。展开表面改性剂的研究目的就是为了满足不同质量的碳酸钙等粉体要求。 2. 1 有机物表面改性碳酸钙 2. 1. 1 脂肪酸(盐)表面改性碳酸钙 脂肪酸(盐)类改性剂属于阴离子表面活性剂，分子一端长链烷基结构和高分子结构类似，与 高分子材料有较好相容性；另一端为羟基等极性基团，可与碳酸钙，表面发生物理或化学吸附。其改性原理是脂肪酸根离子与液相中的钙离子反应，生成难溶盐，迁移到碳酸钙离子表面，从而包覆碳酸钙粒子，形成结合状态。

4、 2. 1. 2 磷酸酯表面改性碳酸钙 磷酸酯类改性碳酸钙主要是通过磷酸酯与碳酸钙，表面的钙离子形成磷酸钙盐，沉积或包覆在碳酸钙颗粒表面，从而达到改性目的。经磷酸酯类表面活性剂表面改性的碳酸钙可由亲水性变为亲油性，将其与高聚物材料混合，所得复合材料的加工性能和力学性能都有比较明显的改善，耐酸性和阻燃性的改善效果也较明显。 2. 2 低聚合物对碳酸钙的表面改性 2. 2. 1 聚烯烃低聚物对碳酸钙的表面改性 聚烯烃低聚物是非极性聚合物,通过一些助剂可以和碳酸钙等无机填料有较好的浸润、粘附性能。这类化合物有无规聚丙烯、聚乙烯腊等(分子量15005000),它们可和碳酸钙按一定比例,并加入一些表面活

5、性剂,通过密炼、开炼、造粒便可制成新型母粒填料,能够较好地用于编织袋、聚乙烯中空制品,聚烯烃注射器等。 2. 2. 2 其它低聚物对碳酸钙的改性 马来酸酐接枝改性的聚丙烯、聚丙烯酸(盐)、烷氧基苯乙烯、聚乙二醇、反应性纤维素均能较好改善碳酸钙填料的润湿特性,这类极性低聚物可以定向吸附在碳酸钙颗粒表面,使碳酸钙颗粒具有电荷特性并形成吸附层,阻止碳酸钙的团聚,从而提高碳酸钙颗粒的分散性能。 2. 3 无机物对碳酸钙的表面改性 碳酸钙表面PH值高、遇酸易分解,应用受到一定的限制,为了拓展其使用范围,常用一些耐酸性无机物来改性碳酸钙颗粒,这类无机物有缩合磷酸、铝酸钠、硅酸钠、明矾等。采用六偏磷酸,并加

6、入钙螯合剂、用六偏磷酸处理碳酸钙颗粒,用于中性纸和酸性纸的制造取得较好的效果。而日本白石公司采用缩合磷酸处理碳酸钙,可使碳酸钙表面PH降至5.08.0,这种产品有较好的耐酸性、同时还有阻燃性,可广泛用于橡塑、涂料、造纸和日化等行业中。 2. 4 偶联剂对碳酸钙的表面改性 2. 4. 1 钛酸酯对碳酸钙的表面改性 钛酸酯偶联剂的品种已超过70种，根据其分子结构类型和填料偶联类型，主要分为单烷氧基型、单烷氧焦磷酸酯型、复合型和配位型。钛酸酯偶联剂中的烷基容易水解，也容易与无机物表面的羟基发生反应，从而把偶联剂与碳酸钙等无机物连接在一起，使其表面覆盖一层钛酸酯偶联剂层而得到了“活化”，致使碳酸钙的表

7、面性能发生根本的改变，由亲水性变为疏水性，提高其在聚合物中的分散性。钛酸酯偶联剂改性效果较好，可提高加工时填料的分散性、流动性，改善复合材料的断裂伸长率、冲击性能和阻燃性能等，因而已得到了广泛应用。但其对生态环境和人体健康的影响已越来越引起人们的重视，限制了其应用领域。 2. 4. 2 铝酸酯对碳酸钙的表面改性 铝酸酯偶联剂的表面改性原理与钛酸酯偶联剂类似，铝酸酯分子中易水解的烷氧基与碳酸钙表面的羟基发生化学反应，分子的另一端基团与高聚物分子链发生缠绕或交联，达到对碳酸钙表面改性的目的。经铝酸酯偶联剂改性的碳酸钙具有吸湿性低、吸油量少、平均粒径较小的特点，在有机介质中易分散，活性高，且常温下为

8、固体，颜色浅，无毒，比经钛酸酯改性的碳酸钙成本低，热稳定性好。 2. 4. 3 硅烷偶联剂对碳酸钙的表面改性 硅烷偶联剂是开发最早的一类偶联剂，但一般的硅烷偶联剂与碳酸钙表面结合力弱，较为有效的是多组分硅烷偶联剂，它能使碳酸钙粉末表面硅烷化，但是成本高，使用复杂。因此，在碳酸钙改性方面较少采用硅烷偶联剂。 2.5高能表面改性 2.5.1 高能射线改性 高能射线改性是利用电子加速器产生的高能辐射对碳酸钙进行表面激活，再把表面产生活性点的粉体与形成改性剂的单体反应，在碳酸钙颗粒表面形成一层有机包覆层，从而改善填料的表面性质及与高分子材料的相容性，达到改性的目的。 2.5.2 等离子体改性 等离子体

9、改性是利用等离子体聚合技术，采用高频感应耦合辉光放电等离子系统，并用惰性气体和高纯反应性气体作为等离子处理气体，形成气相自由基并吸附在固体表面，然后和气相中的单体或衍生单体聚合，在碳酸钙粉体表面形成聚合物薄膜，从而降低碳酸钙颗粒表面的极性，使其与高聚物有较好的界面黏合性，提高了相容性和亲和性，用于复合材料后可明显提高材料的冲击强度和弯曲强度。高能改性技术复杂、成本较高、生产能力小、改性效果不稳定，因此应用比较少。 3 结束语 目前，橡胶、塑料、涂料等工业发展迅速，人们对复合材料的需求不断增长，碳酸钙等无机填料的研究和发展、应用领域和市场需求也随之受到人们的重视，其需求量每年也以一定比例递增。CaCO3表面改性已成为深加工技术之一，经过表面改性的碳酸钙粉体吸油率显著降低、团聚粒径减小、分散性能提高。填充高聚物后混合体系的塑化温度降低，塑化时间缩短，熔融指数提高，加工流动性明显好于未经表面处理的碳酸钙，同时制品的冲击强度、拉伸性能等力学性能也得到明显提高。参考文献1张立德超细粉体制备与应用技术M北京：中国石化出版社，2001：18O一2362岳林海，蔡菊香，景南屏，等新型无机补强填料一超细