納米碳酸鈣包覆微米硅灰石復(fù)合礦物顆粒研究

摘要研究了納米碳酸鈣包覆微米硅灰石顆粒的工藝條件，確定了合理的因素水平(如Ca (OH)2濃度、Co2的通入速率，反應(yīng)溫度、攪拌速度、添加劑的種類、添加劑的加入量，被包覆粒子的濃度等），使納米碳酸鈣均勻細(xì)密地包覆于微米硅灰石顆粒表面。在PP中的填充試驗(yàn)表明，這種納米碳酸鈣包覆的硅灰石用作填料，聚丙烯的沖擊強(qiáng)度提高了50%．

無(wú)論哪種粉體，目前工業(yè)上已不滿足于對(duì)單一材料微細(xì)粒子的亞微米級(jí)的追求，而納米粒子雖然從理論上說(shuō)具備很多優(yōu)異功能，但由于它極易團(tuán)聚，其分散問(wèn)題又屬于攻關(guān)課題，因此限制了納米粒子的應(yīng)用。超細(xì)復(fù)合粒子在很大程度上可以解決納米粒子不易分散的難題，通過(guò)對(duì)材料粒子進(jìn)行設(shè)計(jì)，賦予粒子某種新的物理、化學(xué)性能或某種形狀來(lái)滿足需要，新材料具有以往材料所不具備的特殊性能或是具有兩種材料的復(fù)合功能。

1包覆式超細(xì)復(fù)合粒子制備

    超細(xì)復(fù)合粒子是指兩種或兩種以上的超細(xì)粒子．經(jīng)表面包覆或復(fù)合處理后形成的超細(xì)粒子。它除了具有單一超細(xì)粒子所具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)外，還具有復(fù)合協(xié)同多種功能、改變單一粒子表面性質(zhì)以及增大兩種或多種組分的接觸面積等作用。

    超細(xì)復(fù)合粒子可分為多種：按粒子成分，可分為有機(jī)一有機(jī)、有機(jī)一無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)一無(wú)機(jī)三種；按粒子大小，可分為微米一亞微米、微米一納米、納米一納米等；按復(fù)合方式，可分為包覆式和混合式。由于包覆

式超細(xì)復(fù)合粒子不但可制備多功能復(fù)合粒子，而且還廣泛地用于粒子表面改性，所以包覆式粒子在超細(xì)復(fù)合粒子中非常重要。

2  納米碳酸鈣包覆微米硅灰石的意義

    對(duì)微米硅灰石來(lái)講，納米碳酸鈣是其表面修飾劑，把由于機(jī)械破碎而形成的銳利的棱角鈍化，同時(shí)使平整的晶體解理面變得粗糙。粗糙度較大的平面能使接觸角減小，同時(shí)也會(huì)更容易被偶聯(lián)劑浸潤(rùn)，從而更傾向于與聚合物基體形成良好的界面粘結(jié)。

    對(duì)于納米碳酸鈣來(lái)講，它緊密地包覆在微米級(jí)硅灰石粒子表面，總體尺度仍為微米級(jí)，所以不存在難分散的問(wèn)題，并且整個(gè)顆粒內(nèi)部為實(shí)心核，不象團(tuán)聚體那樣存在空隙，減少了缺陷的發(fā)生。

    包覆的碳酸鈣粒子可提高硅灰石的白度，使其適用于白色或淺色制品中。

    由于表面包覆的碳酸鈣為納米級(jí)，所以包霾粒子的比表面積大為提高，粒子表面能和化學(xué)活性都有所提高，使得無(wú)機(jī)填料粒子與有機(jī)高分子能更好地粘結(jié)，形成良好的界面。

3試驗(yàn)部分

    在本試驗(yàn)中，我們采用石灰乳一步碳化法：在一定的工藝條件下，向石灰乳中通入二氧化碳?xì)怏w，控制反應(yīng)時(shí)間和溫度等，‘并在碳化過(guò)程中向部分碳化的石灰乳液中添加一定量的添加劑，以控制碳酸鈣的晶型及粒度。

    具體工藝為：先將生石灰消化約h左右，制得石灰乳。然后將石灰乳過(guò)濾，濾去生石灰殘?jiān)?。將石灰乳注入反?yīng)釜，并將硅灰石（1250目）勻速倒入釜中，開(kāi)啟CO z氣瓶，反應(yīng)開(kāi)始。反應(yīng)過(guò)程中可加入外加劑聚乙二醇控制團(tuán)聚現(xiàn)象，可調(diào)整通入的CO z速

率、可調(diào)換乳化機(jī)的定子并調(diào)整水流大小，以控制反應(yīng)溫度。在整個(gè)包覆過(guò)程中，工藝參數(shù)的控制最為關(guān)鍵。反應(yīng)的完成可用溶液pH值控制，當(dāng)pH值為7時(shí)，反應(yīng)終止。反應(yīng)時(shí)間大概為15min,視不同的工藝參數(shù)而不同。放出料漿后，噴霧干燥得包覆產(chǎn)品。

    通過(guò)包覆前后硅灰石的照片可看出：包覆前硅灰石有光滑的表面，且棱角突出，易造成應(yīng)力集中；而包覆后，硅灰石表面明顯包覆了一層納米級(jí)的類球型碳酸鈣，納米粒子大概在50- lOonm之間。包覆后比表面積明顯增大，由包覆前的29m2/g增大到包覆后5.5m2/g.比表面積增大，可提高硅灰石填料表面的化學(xué)活性，使其表面化學(xué)能提高，從而提高填料與塑料基體的結(jié)合力，塑料的力學(xué)性能有所提高。

4 2塑料力學(xué)性能對(duì)比

    由圖3可看出，雖然包覆后的硅灰石添加到聚丙烯中制品的彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度，比添加未包覆硅灰石時(shí)的彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度沒(méi)有提高，但是沖擊強(qiáng)度提高了50%，這在很大程度上彌補(bǔ)了聚丙烯在實(shí)際應(yīng)用中沖擊強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。

5結(jié)論

    目前，包覆式超細(xì)復(fù)合粒子的制備方法很多，但無(wú)論采用哪種方法，若要得到高性能的單分散復(fù)合粒子，都必須解決已有粒子在介質(zhì)中的分散這個(gè)難題，這一點(diǎn)在有納米粒子存在時(shí)顯得尤為重要。我們研究的納米碳酸鈣包覆微米顆粒的課題，在一定程度上解決了這一問(wèn)題，但還不夠。今后，超細(xì)復(fù)合粒子將向著復(fù)合更細(xì)、多層復(fù)合以及產(chǎn)品粒子的形態(tài)和功能易控制等方面發(fā)展。