重质碳酸钙微粒相容性 改性研究进展

重质碳酸钙微粒相容性 改性研究进展

重质碳酸钙微粒( 重钙微粒) 是一种重要的、天然的无机增韧增强功能性填料，存在“易团聚、难分散”、“相容性差”不足之处。材料力学性能在很大程度上取决于刚性粒子在基体中的分散性和两者之间形成的界面相，重钙微粒既可降低成本，又可改善树脂、塑料、橡胶等基体的多方面性能，优化高分子复合材料热学性能与力学性能等。

因此，在研究重钙微粒相容性时，往往加入相容剂，提高相容性，相容剂是由含有和聚合物共混组分相同或相似嵌段或接枝共聚物，其分子中含有能与共混组分发生化学反应或生成共价键、氢键的基团，按作用机理可分为反应型相容剂和非反应型相容剂，一般地，相容剂可提高体系各相的相容性。

重钙微粒相容性改性最注重两方面: 一是界面性质，二是重钙微粒/基体分散体系分散情况，同时满足上述条件，复合材料性能较佳。复合材料中，相容剂正如媒介一样，连接重钙微粒与基体相，加入相容剂是改善非极性基体与极性重钙微粒相容性的主要途径之一。通常，相容剂引入基体/相容剂/重钙微粒中，三者之间界面转变为多界面相; 另外，往往有新的界面相生成，从而增强高分子复合材料中的界面相互作用，进而影响复合材料的各项性能。

1 重钙微粒相容性的改性

对于不完全相容的体系来说，两相间的相容性不仅影响界面粘结性能，而且影响分散相在连续相中尺寸分布及分散状况，相容性直接影响界面相，影响复合材料各项性质指标，直接影响使用性能。通常，增强重钙微粒的相容性均需相容剂，一般情况下，相容剂的主要作用有: ①降低聚合物之间的表面张力; ②调节界面厚度; ③调控分散相分布，稳定相结构，提高复合材料的性能。增强重钙微粒相容性的主要方法有湿法、干法、复合法。

湿法是在一定固含量的浆料中添加配制好的相容剂，在一定的条件下对重钙微粒进行改性，多数采用此工艺，但有消耗溶剂、干燥等环节存在成本高问题。

干法指干态或干燥后的微粒在表面改性设备中进行分散，加入相容剂等，在一定温度下进行改性的工艺。复合法指机械法与表面化学包覆相容剂等多种方法复合、干燥与表面化学包覆改性复合工艺及沉淀反应与表面化学包覆复合改性，即两种或以上改性方法的复合，目的在于达到更好的相容性改性效果。

在加工条件等固定的条件下，重钙微粒在基体的相容性、分散程度与其比表面积、表面自由能、基体表面极性、重钙微粒/相容剂/基体相互之间所形成的界面性质关系密切。要获得均匀分散的复合材料，重钙微粒与基体表面自由能要匹配、极性匹配、基体的粘度要小，与重钙微粒/相容剂/基体相互之间的化学相互作用成反比，它们之间的作用越大，重钙微粒反而越不易分散，这明显与高韧性高强度的复合材料相矛盾。

3 影响重钙微粒/基体相容性的主要因素

3．1 重钙微粒的形状与粒径

纳米级重钙微粒的加入对模量的提高不如微米级重钙微粒，而纳米级重钙微粒对复合材料韧性提高幅度要大些，由于局部形成“微胶囊”核壳结构的缘故，晶须状对刚性复合材料的提高略高于粒状。随重钙微粒粒径的减小，体系中最佳重钙微粒含量呈减小趋势，这是因为粒子越细，其表面缺陷越多，易与聚合物发生物理和化学结合，其相容性也越好，具有更大的界面破坏能，从而对聚合物的增韧效果也更好，界面粘结太强不利于界面脱湿形成空穴，反而阻碍了韧性的提高。根据Hopper 的变形层理论，界面层厚度宜在10 nm 以上，但若太厚，又不利于应力向重钙微粒传递，从而削弱重钙微粒的增强作用。最佳界面层厚度可由处理剂的饱和浓度计算而得。

3．2 相容剂性质

一般情况下，相容剂分为反应型相容剂与非反应型相容剂。反应型相容，形成新的界面，兼有化学的或者物理的多种相互作用形式，相界面结合相对牢固，复合材料的各项性能指标较为优良，其调节范围也较宽。非反应型相容剂，往往只有物理的、分子、原子或基团相互作用，而化学有关的相互作用较为少见或者没有发生过。重钙微粒，经过相容剂改性后，形成界面相，表面由亲水向亲油过渡，增加了与基体的相容性，复合材料的复合优势得以发挥。

一般的加工条件下，大多数不相容的体系，形成“海岛结构”，即重钙微粒分散在连续相基体中。相容剂降低两相界面张力，促使两相更加微细均匀分散，并保持稳定的亚微形态棒状或椭球状分散在相基体中，相容剂降低两相界面张力，促使两相更加微细均匀分散，并保持稳定的亚微形态。通过选择相容剂的种类、用量及合适的加工条件，可以控制分散相的粒径和分布达到最佳状态，从而使原先没有应用价值的体系高性能化。

3． 3 基体相性质

不言而喻，一般情况下，连续相基体的性质对于界面相的形成有着重要的影响。基体相的官能团以及活性、基体极性、基体密度、基体玻璃化转变温度等均会影响界面相的形成，甚至整个复合材料的形成。为了提高基体相材料的各项性能，可以考虑采用聚合物共混技术，以改善基体相的强度与韧性等综合性能。

以相容剂修饰重钙微粒的相容性，以增强重钙微粒的相容性，进而形成重钙微粒与基体相“有机”的、取长补短的结合，形成多相多功能型复合材料。重钙微粒相容性改性的研究具有重要的科学技术价值，重钙微粒在各行各业用途很广，论述其相容性改性在复合材料中的应用，解决其瓶颈问题，具有重要的社会效益与经济价值，很有可能为其将来的应用打开阀门，有望成为发展复合材料热点之一。