碳酸鈣的活化機理
能對碳酸鈣進行表面改性的物質很多,但以往的研究大多集中在用有機酸對碳酸鈣進行表面改性,并制成相應的活性碳酸鈣商品.由于有機酸在碳酸鈣表面上的作用主要是物理吸附過程,在與樹脂的混合過程中,在碳酸鈣與樹脂界面間提供潤滑作用,所以用有機酸改性,可以改變物料的流變性能和加工性能,對制品的物理性能幾乎沒有改進.近年來,經深入研究表明,用偶聯劑對碳酸鈣進行改性時,偶聯劑分子的親無機端和親有機端分別能與碳酸鈣的表面和有機樹脂發生化學反應,同時與有機樹脂產生纏結作用,在交聯劑存在下,也能出現交聯現象.這一作用不僅改變了碳酸鈣的表面極性,也增大了碳酸鈣與有機樹脂的界面粘合力,所以用偶聯劑改性,不僅可以改善碳酸鈣填充制品加工性能,同時也可改善制品的物理機械性能.
對碳酸鈣進行表面改性較為有效的是鈦酸酯偶聯劑和鋁酸酯偶聯劑.但用鈦酸酯偶聯劑處理過的碳酸鈣在某些聚合物中使用時會由于氧化而變色,處理過的碳酸鈣在存放期間或在填充制品的加工過程中,鈦酸酯分子的親有機端易發生水解或醇解,同時鈦酸酯的熱分解溫度也較鋁酸酯偏低,因此選用鋁酸酯偶聯劑處理碳酸鈣較為理想.用鋁酸酯偶聯劑活化碳酸鈣的機理如下:鋁酸酯偶聯劑的分子系屬兩親結構,一端為親無機基團,一端為親有機基團.偶聯劑作用于碳酸鈣表面時,由于碳酸鈣顆粒表面的鈣離子及碳酸根離子與大氣中水分子接觸,并發生水解,產生具有堿性的、疏油的羥基表面.
CaCO3 + H2O = Ca (OH) 2 + CO2 ↑
碳酸鈣的表面羥基可與鋁酸酯偶聯劑的親無機端發生化學結合,產生表面改性的碳酸鈣粒子.這些表面改性的碳酸鈣粒子與樹脂共混,偶聯劑分子的親有機端可與樹脂的分子發生纏結作用.由于偶聯劑的作用,使碳酸鈣具有活化機能,提高了與有機樹脂的親和力,達到對樹脂的改性及增強效果.
碳酸鈣特性和塑料對碳酸鈣的基本要求
碳酸鈣的特性 碳酸鈣在塑料中大量使用,得到塑料行業高度重視不是偶然的,相比起其它非金屬礦物粉體材料,碳酸鈣具有明顯的優勢. 1)價格便宜 無論是重鈣還是輕鈣在各種非礦粉體材料是價格最低的,也就是說任何一種非礦粉體材料僅僅試圖替代碳酸鈣作為塑料填充料使用,而不是突顯這種粉體材料本身的特點,那是沒有意義的. 2)色澤好,易著色 且可以做淺色塑料制品.不足之處是著色的塑料制品色澤不夠鮮艷,在多數情況下還是可以接受的.
3)硬度低 其莫氏硬度為3,遠遠低于制造加工機械設備與模具所用鋼材(如氮化鋼、高速鋼)的硬度,因此填充塑料對所接觸的設備部件(螺桿、螺筒等)和模具的磨損較輕. 4)熱穩定性及化學穩定性良好 在碳酸鈣的熱分解溫度在800℃以上,在所有的塑料加工溫度下(300℃以下)都不會發生熱分解. 碳酸鈣是強堿弱酸鹽,除遇酸性介質外,其化學穩定性良好.
5)易干燥,無結晶水,吸附的水分通過加熱容易除去.
6)無毒、無刺激性、無味,特別是我國的方解石、大理石、石灰石資源豐富,可選擇余地大,絕大多數資源品質優良,特別是重金屬含量極低,達到國家衛生級要求.
碳酸鈣對填充塑料性能的影響 1)對密度的影響 重鈣和輕鈣在真實密度上區別不明顯,前者為~/cm3,后者為~ g/cm3,它們的主要區別主是要堆積密度差別顯著,工業上用沉降體積來區分重鈣和輕鈣,即在無水乙醇中/g以上為輕鈣,而重鈣在~/g.
堆積密度不同主要由于碳酸鈣粉體顆粒的晶形不同,輕鈣粒子為紡錘形(棗核形),具有一定的長徑比,而重鈣多呈破碎后的塊狀.這種顆粒形狀的差異導致在基體塑料中,碳酸鈣粒子是以大大小小凝聚體形式像海島一樣存在的,它們所占據的空間大小也不相同.從宏觀上看,填料的添加量相同時,不同的填料,重鈣或是輕鈣,甚至目數不同的重鈣,都會造成塑料制品長度、面積或制品個數的不同.表3列出輕鈣或不同目數的重鈣填充pvc芯層發泡管材的密度變化情況.
