活性碳酸钙,又称胶质碳酸钙、改性碳酸钙、表面处理碳酸钙,在日本其商品名又叫白艳华。活性碳酸钙是用表面改性剂对重质或轻质普通碳酸钙进行表面改性而制得。通常使用的表面改性剂是具有双氢基团的有机物,如高级脂肪酸、表面活性剂、偶联剂等。早期活性碳酸钙生产多数以轻钙为主要基料。但由于轻钙的生产工艺复杂,价格高,同时生产轻钙对环境产生污染,因此目前多数是以重钙取代轻钙制备活性碳酸钙。
活性碳酸钙与非活性碳酸钙(普通碳酸钙)的区别在于:
1、疏水性
活性碳酸钙表面经有机活性剂包覆处理,具有较强的疏水性能,是活性钙与非活性产品最显著的区别。鉴别的方法也较为简单:取少许产品置于清水中,经过一定时间的搅拌后产品绝大部分悬浮于水面上,水质清澈不浑浊,则为活性钙;若产品全部或绝大部分沉入水中,水变浑浊,则为非活性产品。
2、流动性
活性钙产品由于表面被表面张力较低的有机活性剂分子包覆,其比表面能较未活化产品低,颗粒之间的黏滞阻力降低,颗粒的流动性能提高,因此粉体具有类似于液体的流动性,非活性产品的流动性能明显较差。应注意在温度、湿度及产品水分等相同条件下进行对比。
3、分散性
由活性产品具有良好的流动性能就可以看出其分散的差异,活性钙产品由于分散好,在应用过程中表现出与基料良好的相溶性和分散性。颗粒的穿透能力也较强,也容易形成粉尘,普通编织袋包装的产品在装卸和使用过程中粉尘较大。
4、颗粒料度不同
由于活性钙产品表面活性剂降低颗粒的表面能,使颗粒团聚结合力减弱,颗粒的粒度会明显减小,通过扫描电镜可以清楚地分辨出活性钙与非活性钙产品。
5、吸油值不同
活性钙产品颗粒减小,使颗粒间的空隙率减小,同时颗粒的微观表面变得光滑平整,因此在检测产品的吸油值时,活性钙产品较非活性产品低。
6、碳酸钙含量不同
活性钙产品中一般有机活性剂含量为1.0%-5.0%,因此其碳酸钙含量较非活性产品低1%-5%。粒径越小的活性钙产品(如纳米碳酸钙),表面活性剂含量越高,其碳酸钙含量越低。
碳酸钙改性常用改性剂及处理方法
对于重钙,常用的表面改性剂为硬以酯酸及其盐、偶联剂等。
1、硬酯酸及其盐
常用的改性方法是将碳酸钙进行干燥,除去水份,在改性设备中进行。干度控制在100-110℃,时间0.5-1.0h或更短即可。将干燥后的重钙加入改性设备,边搅拌边加入硬酯酸或其盐。硬酯酸的用量约为碳酸钙质量的0.8-1.0%。反应温度控制在100℃左右、时间15-30分钟,产品即可进行包装。
硬酯酸或硬酯酸盐改性碳酸钙具有相当好的补强作用,可取代炭黑和白炭黑填料。改性碳酸钙填料可提高塑料制品的耐冲击性能,在涂料工业中能部分取代钛白粉。
2、偶联剂
(1) 钛酸酯偶联剂:钛酸酯偶联剂根据分子结构和矿物表面偶联剂的构型,分为单烷氧基型、螯合型、配位型三种。
单烷氧型。除焦磷酸酯基外,因耐水性差,只能将偶联剂用有机溶剂或惰性无水增塑剂稀释,溶剂和偶联剂质量比应大于1,经充分搅拌溶解后,滴加或喷洒到预先烘干的重钙粉体表面拌匀,在90-100℃的改性设备中搅拌15分钟以上即可。也可将碳酸钙放入含有偶联剂溶剂中搅拌均匀,偶联剂将重钙包裹后,把多余的溶剂脱除.
螯合型。耐水性能好,可在水相中包覆重钙粉体,但大多不溶于水,可用水性溶剂、表面活性剂或高速搅拌等法,促使乳化分散在水中。含磷酸基、焦磷酸基及磺酸基的钛酸酯可用胺类试剂使之季胺化后溶于水。如用KR-138S螯合型偶联剂对碳酸钙粉进行改性时,将1份KR-138S和0.5份三乙胺混合制成季胺盐,并分散600份水中,加入200份碳酸钙,充分搅匀,脱水,烘干即可。
配位型。配位型偶联剂和螯合型的用法相似,因为耐水性好并且大多数不溶于水,因此可先将其溶有机溶剂中再包覆碳酸钙粉料。
钛酸酯偶联剂的用量,约为碳酸钙质量的0.5-3.0%。 钛酸酯偶联剂处理后的重钙粉,与聚合物分子有很好的相容性。由于它能在碳酸分子和聚合物分子之间形成分子架桥,增加了有机聚合物或树脂与碳酸钙之间的相互作用,相应提高了热塑性复合材料的力学性能,如冲击强度、拉伸强度、弯曲强度以及伸长率等。
(2) 铝酸酯偶联剂:铝酸酯偶联剂的改性方法,与其他各种偶联剂的改性方法类似。将重钙粉料置于100-130℃的改性设备中,边搅拌边烘干,约十多分钟,然后分三次加入计量的偶联剂。每次间隔2-3分钟,加完后,再搅拌5分钟即可。铝酸酯偶联剂的用量,大约是面酸钙质量的1%-2%。铝酸酯偶联剂对生钙的改善效果,与钛酸偶联剂的相当,优于硬酯酸及其盐。另外,铝酸酯偶联剂价格低廉,颜色浅,不影响产品的白度。
通过实验数据比对发现,偶联剂的改性效果优于硬酯酸的改性效果,特别是钛酸酯偶联剂更为明显。由于偶联剂与碳酸钙表面的羟基作用形成化学键,在碳酸钙表面覆盖一层偶联剂单分子膜;并且钛酸酯偶联剂另一端与高分子聚合物相混溶,使碳酸钙与PVC结合得很好,制品具有很好的弹性和抗冲击性能。