纳米碳酸钙作为一种重要的无机材料,在许多领域都有广泛的应用。其中一个重 要的用途是作为填料用于塑料、
橡胶、和涂料等工业产品中。由于纳米碳酸钙粒子本 身
比表面积和比表面能都很高、表面极性强,在非极性、弱极性的有机介质中不容易 分散。因此,纳米碳酸钙粒子间的团聚现象极为严重,与有机高聚物的
亲和性差;这 些缺点大大降低了其应用性能。所以,人们采用各种方法对纳米碳酸钙进行表面有机 化改性,又叫活化处理,以降低纳米碳酸钙粒子表面极性和比表面能,从而减少纳米 碳酸钙粒子间的团聚现象,提高纳米碳酸钙粒子与有机高聚物的亲和性以及在有机高 聚物本体内的分散性。
以往用于纳米碳酸钙表面有机化改性的改性剂几乎都是各种
脂肪酸及其盐类、树 脂酸及其盐类。由于脂肪酸、
树脂酸类物质的酸性较弱,因此脂肪酸、树脂酸及其盐 类必须在较高的pH值条件下才能良好地溶于
水中与纳米碳酸钙表面发生反应。这样 制得的活性纳米碳酸钙产品往往
碱性较强,pH值常常在9.0、以至9.5以上。这样的 活性纳米碳酸钙产品会促使PVC等塑料在加工时发生部分分解,从而显著降低PVC 塑料的产品
质量。
同时,由于脂肪酸、树脂酸类物质及其盐类在水中的
溶解度较小,所以即使在较 高的
温度下(大于80℃)也难以与纳米碳酸钙表面充分发生反应,大量改性剂悬浮 在纳米碳酸钙乳液中形成
泡沫,既不能起到改性作用,反而会增加过滤的负荷。所以, 以往的改性方法改性剂用量大,利用率低,能耗高,操作麻烦。
由于脂肪酸、树脂酸类物质、油脂类物质与纳米碳酸钙表面形成的结合
力不够强, 因此往往难以保证产品具有高的活化率,而且用于有机高聚物中补强作用不够显著。
本发明的目的在于提供了一种纳米碳酸钙的表面改性方法。该方法克服了现有技 术活化温度高,生产的活性纳米碳酸钙碱性偏强,活化率和表面改性剂
吸附率低的缺 点。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种纳米碳酸钙的改性方法,其特征为采用双子星
表面活性剂二
磷酸酯盐作为改 性剂,对碳化法制备得到的纳米碳酸钙乳液进行包覆活化处理,所述的双子星表面改 性剂二磷酸酯(盐)具有如下的分子结构:
上式中:
M是碱金属
原子;
R1是C4-C12的烷基、或者苯基、或是C4-C36的含有O的杂碳链;
R2、、R3是H原子,或者C8-C32的烷基、或者是苯基或是C8-C52的含有O的 杂碳链;
其改性方法如下:
a.将碳化法制备获得的纳米碳酸钙配成以CaCO3质量计,含纳米碳酸钙浓度 为5-30%的乳液;
b.控制纳米碳酸钙乳液的温度在50℃-100℃,调节纳米碳酸钙乳液的pH值 至6.0-7.5;加入上述的表面改性剂,其加入量为碳酸钙质量的0.5-4%; 搅拌并保持温度在50℃-100℃范围内;控制反应时间在15-60分钟。
c.将经上述处理后的纳米碳酸钙乳液趁热过滤,弃去滤液,取
滤饼在80-130 ℃下干燥,
粉碎,过筛即得活性纳米碳酸钙成品。
上述的R1是具有基本结构单元为“-O(C2H4O)n-”的链锻,重复单元数n为 2-18;所述的R2、R3具有如下结构: 其中,m 为2-12的整数,重复单元数n为2-18。
本发明方法同
现有技术相比,具有如下显而易见的突出特点和显著进步:由于二 磷酸酯(盐)的
水溶性好,活化温度可低至50℃,而且纳米碳酸钙活化率高,表面 改性剂吸附率高,表面改性剂在滤液中的残留量少,所以本发明中所用表面改性剂的 量显著少于原来的技术。同时,由于二磷酸酯(盐)与纳米碳酸钙表面可以形成二个 化学键(多点锚合),结合力强。用于有机高聚物中补强作用显著。另外,可以将双 子星表面改性剂二磷酸酯(盐)水溶液的pH值调节在约7.0-8.0范围内,经活化处 理后的纳米碳酸钙产品的pH值约在7.0-8.5范围,这样在作为PVC等塑料的填料 时,活性纳米碳酸钙产品促使PVC等塑料在加工时发生部分分解的作用就会降低, 对降低PVC塑料产品质量的影响就会大大减小。
本发明采用的表面改性剂-二磷酸酯(盐)的制备方法请参见Chemical physics letters.303(1999):295-303,Sima De,Vinod K.Aswal。
实施例一:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将未经
表面处理的干纳米碳酸钙2公斤加水至总体积9升,搅拌成纳米碳酸钙乳 液,搅拌下加热至55℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH值至6.5-7.0。另外,将上 述的表面改性剂40g溶于1升55℃的热水中调节pH值至6.5-7.5,再将此溶液在搅 拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁热过滤。弃去滤液,取滤 饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干燥,冷却后碾压粉碎,160 目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%,2%水悬浮液pH值7.0-8.0, 吸油值(DOP)约为28g/100g CaCO3。本活性纳米碳酸钙适用于作硬PVC塑料以及 橡胶,涂料的填料。
实施例二:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至65℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将表面改性剂30g溶于1升65℃的热水中调节pH值至6.5- 7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁热过 滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干燥, 冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%,2%水 悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为26g/100g CaCO3。本活性纳米碳酸钙适 用于改善硬PVC塑料加工性能,或用作PP,HDPE塑料的填料。
改性后纳米碳酸钙的部分应用性能:
1,拉伸强度
表1改性纳米碳酸钙填充硬PVC材料的拉伸强度(Mpa) CaCO3加入量 wt% 未改性
硬脂酸钠
钛酸酯 实施例1 实施例2 30 50 38.4 33.3 39.8 35.1 40.6 35.3 43.7 38.0 41.4 36.9
2,断裂伸长率:
表2改性纳米碳酸钙填充硬PVC材料的断裂伸长率(%) CaCO3加入量 wt% 未改性 硬脂酸钠 钛酸酯 实施例1 实施例2 30 50 54 46 76 50 86 52 98 58 101 59
3,冲击强度
表3改性纳米碳酸钙填充硬PVC材料的缺口冲击强度(kJ/m2) CaCO3加入量 wt% 未改性 硬脂酸钠 钛酸酯 实施例1 实施例2 0 8.7 30 50 8.9 10.1 10.8 12.1 11.9 13.1 12.3 13.6 11.6 13.3
4,加工性能
表4改性纳米碳酸钙填充硬PVC材料的流变数据 测试项 未改性 硬脂酸钠 钛酸酯 实施例1 实施例2 塑化时间 (S) 塑化温度(℃) 平衡
扭矩 (N·m) 314 201 28.4 305 197 23.7 301 197 21.4 295 198 22.1 266 198 19.2
实施例三:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至65℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将表面改性剂30g溶于1升65℃的热水中调节pH值至6.5- 7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁热过 滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干燥, 冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%,2%水 悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为26g/100g CaCO3。本活性纳米碳酸钙适 用于改善硬PVC塑料加工性能,或用作PP,HDPE塑料的填料。
实施例四:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至70℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐40g溶于1升70℃的热水中调节pH值至 6.5-7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁 热过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干 燥,冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%, 2%水悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为24g/100g CaCO3。
本活性纳米碳酸钙具有大的视体积,产品十分蓬松轻飘。
表5改性纳米碳酸钙的视体积
未改性 硬脂酸钠 实施例3
48 60 76
实施例五:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至60℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐35g溶于1升60℃的热水中调节pH值至 6.5-7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁 热过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干 燥,冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%, 2%水悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为29g/100g CaCO3。
实施例六:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤)经 搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至60℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH值 至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐35g溶于1升60℃的热水中调节pH值至6.5 -7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁热 过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干燥, 冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%,2%水 悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为29g/100g CaCO3。
实施例七:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至60℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐45g溶于1升60℃的热水中调节pH值至 6.5-7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁 热过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干 燥,冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%, 2%水悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为30g/100g CaCO3。
实施例五以及实施例六的表面改性剂具有一定的亲水性,亲水性随“-(C2H4O)n-”中重复单元n数增大而增大,根据产品性能的需要n数可在2-18之间调节,这 里所述的n是指重复单元的平均数。
实施例八:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至60℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐45g溶于1升60℃的热水中调节pH值至 6.5-7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁 热过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干 燥,冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%, 2%水悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为30g/100g CaCO3。
实施例五以及实施例八的表面改性剂具有一定的亲水性,亲水性随“-(C2H4O)n-”中重复单元n数增大而增大,根据产品性能的需要n数可在2-18之间调节,这 里所述的n是指重复单元的平均数。
实施例九:所采用的表面改性剂的结构简式为:
将碳化法制备获得的纳米碳酸钙乳液9升(熟料,含纳米碳酸钙质量约1.4公斤) 经搅拌并50-60℃保温陈化2小时后,加热至95℃,用CO2(或Na2CO3)调节pH 值至6.5-7.0。另外,将上述二磷酸酯钠盐35g溶于1升60℃的热水中调节pH值至 6.5-7.5,再将此溶液在搅拌下加入上述纳米碳酸钙乳液中。搅拌并保温30分钟。趁 热过滤,弃去滤液,取滤饼切成1cm×1cm×5cm左右的条状在烘箱中于120℃下干 燥,冷却后碾压粉碎,160目过筛即得活性纳米碳酸钙成品。成品活化率≥98%, 2%水悬浮液pH值7.5-8.5,吸油值(DOP)约为29g/100g CaCO3。