Giới thiệu về phương pháp biến đổi bề mặt chất độn canxi cacbonat nặng

Canxi cacbonat hiện là loại chất độn vô cơ được sử dụng rộng rãi nhất. Nhờ độ trắng cao, giá thành thấp và đặc tính không độc hại, không gây kích ứng, nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như... nhựa, cao su, chất kết dính, mực, Và lớp phủDựa trên quy trình sản xuất, canxi cacbonat được phân loại thành hai loại: canxi cacbonat nặng (canxi nặng) và canxi cacbonat nhẹ (canxi nhẹ). Canxi nặng được sản xuất từ ​​đá tự nhiên – như canxit, đá cẩm thạch và đá vôi – thông qua quá trình nghiền và phân loại cơ học; nó có hình dạng hạt không đều và phân bố kích thước hạt tương đối rộng. Ngược lại, canxi nhẹ được điều chế bằng các phương pháp hóa học, cho phép kiểm soát hình thái tinh thể và tạo ra kích thước hạt mịn hơn, mặc dù chi phí sản xuất cao hơn.

Canxi cacbonat kết tủa thể hiện bề mặt ưa nước và kỵ dầu với độ phân cực mạnh, dẫn đến ái lực và khả năng tương thích kém với các polyme hữu cơ (như nhựa, cao su và nhựa tổng hợp). Khi được sử dụng làm chất độn trực tiếp, các hạt có xu hướng kết tụ, gây khó khăn trong việc phân tán đồng đều trong ma trận hữu cơ; hơn nữa, lực liên kết giao diện yếu dễ dẫn đến các khuyết tật giao diện, do đó làm suy giảm các tính chất cơ học của vật liệu composite thu được. Khi kích thước hạt canxi cacbonat giảm, năng lượng bề mặt của nó tăng lên, làm cho hiện tượng kết tụ càng trở nên nghiêm trọng hơn.

Do đó, cần phải xử lý bề mặt trước khi sử dụng, chủ yếu để cải thiện:

Giảm năng lượng bề mặt của các hạt để ngăn ngừa sự kết tụ của chúng.

Bề mặt của canxi cacbonat nặng được chuyển đổi từ ưa nước sang kỵ nước, nhờ đó tăng cường khả năng tương thích với các ma trận hữu cơ.

Hiện nay, các phương pháp chính để cải tiến canxi cacbonat nặng bao gồm phương pháp khô, phương pháp ướt và phương pháp cơ hóa học. Trong số đó, phương pháp khô hiện là quy trình công nghiệp chiếm ưu thế.
Trong phương pháp khô, bột canxi cacbonat khô được trộn với chất điều chỉnh trong máy trộn tốc độ cao để tạo lớp phủ bề mặt ở nhiệt độ xác định. Quy trình này đơn giản để vận hành—cho ra sản phẩm cuối cùng trực tiếp khi xuất xưởng—và đặc biệt phù hợp với các chất điều chỉnh tan trong dầu cũng như sản xuất liên tục quy mô lớn. Phương pháp ướt tạo ra lớp phủ đồng đều hơn; tuy nhiên, quy trình phức tạp hơn và yêu cầu bước khử nước tiếp theo. Phương pháp cơ hóa học bao gồm việc thêm đồng thời chất điều chỉnh trong quá trình nghiền siêu mịn, do đó tích hợp cả quá trình nghiền và điều chỉnh vào một thao tác duy nhất.

Việc lựa chọn chất điều chỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả điều chỉnh; các chất điều chỉnh thường được sử dụng bao gồm:

Axit stearic (muối):

Một đầu của phân tử có nhóm carboxyl, có thể liên kết hóa học với các ion canxi trên bề mặt canxi cacbonat; đầu kia bao gồm một nhóm alkyl mạch dài, có cấu trúc tương tự như một polyme. Cơ chế này tạo thành một hệ thống neo giữ điểm đơn.
Liều lượng sử dụng điển hình dao động từ 1,2% đến 1,5%, đạt hiệu quả kích hoạt trên 95%. Ưu điểm của nó bao gồm chi phí thấp và dễ tìm mua; tuy nhiên, nhược điểm nằm ở khả năng bám dính tương đối thấp và độ ổn định của lớp phủ bề mặt chỉ ở mức trung bình. Các thành phần chính được sử dụng là axit stearic (axit octadecanoic) và muối natri của nó.

Các chất liên kết titanat:

Bằng cách tạo liên kết hóa học với bề mặt của canxi cacbonat nặng, các chất này tăng cường khả năng chảy và các tính chất cơ học của hệ thống composite; tuy nhiên, chúng cũng có một số tác động đến môi trường và sức khỏe con người. Các ví dụ chính bao gồm isopropyl tri(dioctyl pyrophosphate) titanate và isopropyl tri(isostearoyl) titanate.
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng khi thêm chất liên kết titanat ở nồng độ 2,0%, độ hoạt hóa đạt 97,70% và giá trị hấp thụ dầu giảm xuống còn 10,6 g/100g; hơn nữa, khi được kết hợp vào PVC, cả độ giãn dài khi đứt và độ bền va đập đều được cải thiện đáng kể.

Các chất liên kết aluminat:

Đặc trưng bởi màu sáng, không độc hại và độ ổn định nhiệt tuyệt vời, nó có khả năng tạo liên kết hóa học không thể đảo ngược với bề mặt canxi cacbonat. Nó phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt về hình thức sản phẩm và an toàn sức khỏe, và chủ yếu bao gồm isopropyl nhôm bis(ethyl acetoacetate).

Chất liên kết Silane:

Có rất nhiều loại silan, tất cả đều có khả năng làm giảm độ phân cực của canxi cacbonat nặng và tăng cường các đặc tính kỵ nước và ưa dầu của nó; tuy nhiên, silan lại có những nhược điểm riêng trong việc biến đổi canxi cacbonat, cụ thể là tính dễ bị thủy phân và tự ngưng tụ trong điều kiện kiềm, cũng như sự phức tạp tương đối của các kỹ thuật xử lý liên quan.
Các silan thường được sử dụng bao gồm γ-aminopropyltriethoxysilane (KH-550), γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane (KH-560) và γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (KH-570), cùng nhiều loại khác.

Chất điều chỉnh hỗn hợp:

Việc sử dụng kết hợp hai hoặc nhiều chất điều chỉnh có thể tạo ra hiệu ứng hiệp đồng. Ví dụ, kết hợp axit stearic với aluminat hoặc titanat sẽ tạo ra hiệu quả kích hoạt vượt trội hơn so với việc sử dụng một chất điều chỉnh đơn lẻ.

Canxi cacbonat kết tủa có bề mặt kiềm (độ pH của dung dịch huyền phù trong nước thường nằm trong khoảng từ 9 đến 10). Trong điều kiện kiềm, các chất liên kết silan dễ bị thủy phân và phản ứng tự ngưng tụ, khiến chúng khó tạo thành một lớp liên kết hóa học đồng nhất và bền vững trên bề mặt canxi cacbonat.
Tuy nhiên, điều này không loại trừ việc sử dụng các chất liên kết silan; thực tế, trong một số ứng dụng nhất định, silan có thể là lựa chọn phù hợp hơn. Thông thường, chúng được sử dụng kết hợp với các chất phụ gia như stearat. Bằng cách sử dụng stearat để giảm độ kiềm bề mặt của canxi cacbonat—hoặc để tạo thành một lớp phủ composite—người ta có thể sử dụng chất liên kết silan, từ đó tận dụng lợi thế vốn có của nó là ái lực mạnh với các loại nhựa cụ thể.