碳酸钙的活化机理
能对碳酸钙进行表面改性的物质很多,但以往的研究大多集中在用有机酸对碳酸钙进行表面改性,并制成相应的活性碳酸钙商品.由于有机酸在碳酸钙表面上的作用主要是物理吸附过程,在与树脂的混合过程中,在碳酸钙与树脂界面间提供润滑作用,所以用有机酸改性,可以改变物料的流变性能和加工性能,对制品的物理性能几乎没有改进.近年来,经深入研究表明,用偶联剂对碳酸钙进行改性时,偶联剂分子的亲无机端和亲有机端分别能与碳酸钙的表面和有机树脂发生化学反应,同时与有机树脂产生缠结作用,在交联剂存在下,也能出现交联现象.这一作用不仅改变了碳酸钙的表面极性,也增大了碳酸钙与有机树脂的界面粘合力,所以用偶联剂改性,不仅可以改善碳酸钙填充制品加工性能,同时也可改善制品的物理机械性能.
对碳酸钙进行表面改性较为有效的是钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂.但用钛酸酯偶联剂处理过的碳酸钙在某些聚合物中使用时会由于氧化而变色,处理过的碳酸钙在存放期间或在填充制品的加工过程中,钛酸酯分子的亲有机端易发生水解或醇解,同时钛酸酯的热分解温度也较铝酸酯偏低,因此选用铝酸酯偶联剂处理碳酸钙较为理想.用铝酸酯偶联剂活化碳酸钙的机理如下:铝酸酯偶联剂的分子系属两亲结构,一端为亲无机基团,一端为亲有机基团.偶联剂作用于碳酸钙表面时,由于碳酸钙颗粒表面的钙离子及碳酸根离子与大气中水分子接触,并发生水解,产生具有碱性的、疏油的羟基表面.
CaCO3 + H2O = Ca (OH) 2 + CO2 ↑
碳酸钙的表面羟基可与铝酸酯偶联剂的亲无机端发生化学结合,产生表面改性的碳酸钙粒子.这些表面改性的碳酸钙粒子与树脂共混,偶联剂分子的亲有机端可与树脂的分子发生缠结作用.由于偶联剂的作用,使碳酸钙具有活化机能,提高了与有机树脂的亲和力,达到对树脂的改性及增强效果.
碳酸钙特性和塑料对碳酸钙的基本要求
碳酸钙的特性 碳酸钙在塑料中大量使用,得到塑料行业高度重视不是偶然的,相比起其它非金属矿物粉体材料,碳酸钙具有明显的优势. 1)价格便宜 无论是重钙还是轻钙在各种非矿粉体材料是价格最低的,也就是说任何一种非矿粉体材料仅仅试图替代碳酸钙作为塑料填充料使用,而不是突显这种粉体材料本身的特点,那是没有意义的. 2)色泽好,易着色 且可以做浅色塑料制品.不足之处是着色的塑料制品色泽不够鲜艳,在多数情况下还是可以接受的.
3)硬度低 其莫氏硬度为3,远远低于制造加工机械设备与模具所用钢材(如氮化钢、高速钢)的硬度,因此填充塑料对所接触的设备部件(螺杆、螺筒等)和模具的磨损较轻. 4)热稳定性及化学稳定性良好 在碳酸钙的热分解温度在800℃以上,在所有的塑料加工温度下(300℃以下)都不会发生热分解. 碳酸钙是强碱弱酸盐,除遇酸性介质外,其化学稳定性良好.
5)易干燥,无结晶水,吸附的水分通过加热容易除去.
6)无毒、无刺激性、无味,特别是我国的方解石、大理石、石灰石资源丰富,可选择余地大,绝大多数资源品质优良,特别是重金属含量极低,达到国家卫生级要求.
碳酸钙对填充塑料性能的影响 1)对密度的影响 重钙和轻钙在真实密度上区别不明显,前者为~/cm3,后者为~ g/cm3,它们的主要区别主是要堆积密度差别显著,工业上用沉降体积来区分重钙和轻钙,即在无水乙醇中/g以上为轻钙,而重钙在~/g.
堆积密度不同主要由于碳酸钙粉体颗粒的晶形不同,轻钙粒子为纺锤形(枣核形),具有一定的长径比,而重钙多呈破碎后的块状.这种颗粒形状的差异导致在基体塑料中,碳酸钙粒子是以大大小小凝聚体形式像海岛一样存在的,它们所占据的空间大小也不相同.从宏观上看,填料的添加量相同时,不同的填料,重钙或是轻钙,甚至目数不同的重钙,都会造成塑料制品长度、面积或制品个数的不同.表3列出轻钙或不同目数的重钙填充pvc芯层发泡管材的密度变化情况.
