摘要：碳酸钙粉体的表面改性，一定要以表面改性的机理为依据，同时考虑下游产品中有机高分子制品的基材、主体配方及技术要求，经综合考虑，选择合理的表面改性剂，确定表面改性工艺，选择和配套表面改性设备，在此基础上生产出合格的改性产品。

关键词：碳酸钙  粉体  表面改性

 

　　我国碳酸钙粉体的加工技术及应用技术已在快步发展，在塑料、橡胶、涂料等高分子制品行业都得到了广泛应用。碳酸钙粉体作为填充剂加入，可降低产品的成本。但填充量不能过大，对产品的功能性没什么提高。这主要是由于碳酸钙粉体与有机高分子材料基质的界面性质不同，使两者的亲合性差，造成碳酸钙粉体在有机高分子材料中的分散，交联及功能性差等问题的出现，从而导致了碳酸钙粉体的填充量不能过大，产品的力学性能有所下降。为了改变这种状况，向功能型要求发展，就应对碳酸钙粉体进行表面改性。改变其粉体的表面性质，改善与有机高分子材料的交联性，提高其分散性，增强制品的物理机械性能，增加添加量，降低成本，提高产品的附加值。

本文作者根据多年从事非金属粉体表面改性的实验和工业生产积累的经验和教训，对碳酸钙粉体表面改性中应注意的问题及发展方向等进行阐述。

1  表面改性剂的选择

非金属粉体的表面改性技术是一门与应用技术密切相关的技术，从应用角度来说是具有很强的针对性。因此对于不同的基材或处理的对象、选择合适的表面改性剂是致关重要的。碳酸钙粉体是有机高分子制品的主要添加剂，为了提高产品的功能性、附加值、填加量及能在更多的领域中得到应用，必须对碳酸钙粉体进行表面改性。表面改性剂的选择是改性工作中十分重要的环节。对不同的高分子材料，不同的应用行业应选择不同类型的表面改性剂。

 

1.1 表面改性剂的分类

目前我国的表面改性剂比较多，如硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、表面活性剂类等。

硅烷类偶联剂是一类分子同时含有两种不同化学性质基团的特殊结构的有机硅化合物。在对粉体进行表面改性时，硅烷偶联剂分子中的硅氧基首先应水解，形成反应活泼的硅醇基，然后与无机粉体表面的羟基反应，形成氢键，加热后，缩合成共价键，达到表面改性的效果。

钛酸酯偶联剂的分子结构划分为6个功能区，每个功能区均有各自的特点。了解了其特点后，就可以根据待处理粉体的特点及应用领域，来灵活性选择能满足各种要求的钛酸酯偶联剂。钛酸酯偶联剂分为：单烷氧型、螯合型、配位型。前者的特点是含有多功能，适应范围广，主要适应处理干燥的碳酸钙粉体。第二类是含有乙二醇螯合基，适用于一定含水量的碳酸钙粉体的表面改性。第三类是耐水性好，多数不溶解于水，不发生酯交换反应，适用多种粉体的表面改性。

铝酸酯偶联剂以前是因易水解很少使用。近年来生产厂家生产的铝酸酯采取了部分满足中心铝原子配位数的特殊结构，使其产品质量得到很大的提高。铝酸酯偶联剂色浅，有较高的热稳定协调效应和润滑增塑的作用，适用范围广。

其他种类的表面改性剂也比较多，如表面活性剂，分散剂，接枝剂等。

1.2 表面改性剂的选择

由于碳酸钙粉体的表面改性主要是解决：一是碳酸钙的分散问题；二是其粉体与有机高分子材料界面结合的问题；三是其粉体表面改性后功能化及专用化的问题。所以在选择表面改性剂时应综合考虑以上几点。并要根据表面改性剂的结构、性质及它与碳酸钙粉体的作用机理，同时还应考虑下游有机高分子制品的基料性质，主题配方、工艺技术要求及碳酸钙的物理化学性质，对其进行正确的和有针对性的选择。

一般碳酸钙的粉体表面改性大多选用钛酸酯、铝酸酯偶联剂，并复配其他表面活性剂及分散剂进行表面改性。硅烷偶联剂适宜处理二氧化硅含量较高的硅酸盐类粉体，而对碳酸盐类粉体的表面改性效果不如钛酸酯类。

在使用钛酸酯偶联剂时，应特别注意四价钛酸酯偶联剂会不同程度的与酯类助剂和其他酯类化合物发生酯类反应。当遇到这种情况时，应重新选择配位型酞酯偶联剂。

在改性剂的选择中，并不要仅仅只用偶联剂来进行表面改性，而要应根据碳酸钙粉体的性质及有机高分子制品的配方及工艺技术要求等，加入一定量的其它助改性剂和助剂，配合偶联剂进行更有效的表面改性，使改性碳酸钙粉体产品的性能和质量达到更高的要求，使产品的成本更低。

2  表面改性工艺的确定

碳酸钙粉体表面改性工艺应根据所选用的表面改性剂与碳酸钙粉体反应机理进行确定。首先要对碳酸钙粉体进行动态加热，排除吸附水，其二加热到100—110℃时，以雾化法加入表面改性剂，使用两种改性剂时，最好分开加入；其三动态下保持一定的温度和时间，因不同的反应时间其改性的效果是不同的（如表1）。

表1  用偶联剂改性，反应时间与表面活化度的关系

        

经偶联剂改性的碳酸钙粉体，都会产生少部分的假结更颗粒，给产品的质量带来一定的影响，所以一定要进行有效的分级，只有这样才能完全保证产品的质量。表面改性工艺如图1。

              碳酸钙粉体→动态加热→表面改性→分级→改性碳酸钙

助改性剂＿＿↑↑＿＿改性剂

图1、改性工艺图

3   表面改性设备的选择   

碳酸钙粉体表面改性设备的选择，应根据表面改性的机理及所确定的加工工艺为基准，选择和配套无污染的表面改性设备。目前，国内的表面改性设备比较多，但是有些表面改性设备没有遵循表面改性的机理及工艺要求等制造的，造成粉体表面改性的效果不好，由此要对购置的改性设备进行改造和配套后才能达到较好的效果。所以表面改性设备的选择是我们搞好该项工作最重要的一个环节。

根据碳酸钙粉体表面改性的机理及工艺等，在选择表面改性设备时应考虑满足以下几点要求：

①、表面改性设备能将粉体加热到120℃，并能在90℃--120℃之间保温，加热和保温时间能够自动控制。

②、要有排气装置，可将表面改性时需排除的水以蒸汽方式排出。

③、碳酸钙粉体在表面改性中应处在高速动态的状态下。

④、表面改性设备应满足表面改性剂分加的要求。

⑤、为解决表面改性中产生的假团聚体和硬团聚体，一定要进行有效的分级，应用专用的分级设备进行配套。

近年来，我国生产的部分非金属粉体表面改性设备没有完全满足以上几点要求，特别是在表面改性时的温度和反应时间不够时，就以增加表面改性剂的用量来弥补；其次是表面改性剂不能分加；三是没有排气装置；四是经表面改性的粉体没有进行有效的分级，对改性产品有明显的影响等。由此我们在选择粉体表面改性设备时，一定要认真考虑粉体的表面改性机理和工艺，并以此为依据，合理的选择和配套表面改性生产线。

另外，粉体表面改性设备生产厂家也应以粉体表面改性的机理及工艺为依据，合理的设计和制造出理想的粉体表面改性设备。

4  碳酸钙粉体表面改性的发展方向

改性碳酸钙粉体在有机高分子制品行业中的应用，以取得明显的效果，成为有机高分子制品行业不可缺少的重要原料。由于近年来有机高分子材料价格高涨不落，对我们非金属粉体深加工行业也提出了产品升级的要求，所以我们应该把粉体的表面改性向功能型、专用型及高附加值型转化。让下游使用厂家在保证产品质量的前提下，降低成本，提高附加值。

4.1 功能型、专用型的表面改性

粉体的表面改性要达到功能化和专用化的产品，首先就要根据下游有机高分子制品的功能性要求、基料性质、主体配方，工艺技术及碳酸钙粉体表面的物化性质，正确的和有针对性的选择表面改性剂及其它助改性剂。二是要认真考虑改性剂，助改性剂及其它助剂的加入量及先加后加的问题，三是改性设备是否能够达到生产工艺的要求等。

现已有厂家生产专用型碳酸钙改性粉体。

4.2 纳米碳酸钙的改性

目前纳米碳酸钙表面改性工业化生产的效果并不是特别理想。一般都采用湿法进行表面改性，但成本高，干燥后还有团聚体，在有机高分子制品中应用并不十分理想。未经湿法改性的纳米碳酸钙，经干燥和打散后，团聚体更加严重。但是这种团聚体是物理团聚，可以利用高速气流对纳米碳酸钙表面改性。即将所要进行表面改性的纳米碳酸钙分别送入一对高速气流喷嘴，将其粉体射入改性箱体内，进入改性箱体内的气流带动物料进行对撞、剪切、摩擦等，对纳米碳酸钙进行打散处理，在此同时喷入气化后的表面改性剂到改性箱体内，对纳米碳酸钙进行表面改性。这种表面改性的方法对颗粒的表面的包复是相对比较均匀的，对其团聚体的解聚也有着比较好的效果，比湿法改性的效果要好，成本也有一定的降低。

5  结束语

碳酸钙粉体的表面改性是其深加工的一种重要手段，要搞好其粉体的表面改性工作，首先要以其表面改性的机理为依据，同时考虑下游产品中的有机高分子的基料及制品的主体配方，合理选择表面改性剂和助改性剂等，第二应考虑确定合适的改性工艺；第三应根据表面改性的机理及工艺选择和配套表面改性设备。

由于碳酸钙粉体深加工技术的迅速发展，为有机高分子制品行业提供了选择和探索的多种条件，也引导和促进了碳酸钙行业的持续性发展，使我们加强了对碳酸钙粉体深加工产品及应用技术的开发。为此我们应该把碳酸钙粉体的表面改性向功能型、专用型及高附加值型转化，以达到产品升级的目标，满足有机高分子制品行业的需要。