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偶联剂改性纳米碳酸钙新思路:引入过量OH-

   2023-11-23 粉体技术网4870
核心提示:在许多行业中,开发了用高岭土、硫酸钙、碳酸钙、滑石粉和二氧化硅等无机填料改性的PVC复合材料,以提高机其械性能和热稳定性能。
      纯PVC材料由于其韧性差和热稳定性不足,在许多应用中都存在局限性。因此,在许多行业中,开发了用高岭土、硫酸钙、碳酸钙、滑石粉和二氧化硅等无机填料改性的PVC复合材料,以提高机其械性能和热稳定性能。

无机材料表面一般都呈现为强极性,与聚合物材料通常不相容,这无疑会导致无机填料与聚合物之间的无法形成有效的界面层。为了克服上述问题,最常用的方法就是对无机填料进行表面改性,以改善其与聚合物材料之间的相容性。

目前市场上也出现了多种性能不俗的表面改性剂,如硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂等,在不同填料的改性上都有着广泛的应用。然而目前的理论和实践普遍认为,由于碳酸钙表面羟基含量不高,因此并不适合使用硅烷偶联剂作为其表面改性剂,虽有部分研究者采用溶剂法可成功在碳酸钙表面接枝上硅烷偶联剂,但成本因素几乎不可能工业化应用。

邓传福等人在纳米碳酸钙的制备过程中通过引入不同剂量的羟基,考察后期硅烷偶联剂对其改性的应用效果,为PVC/CaCO3复合材料制备提供一种新思路。

1、纳米碳酸钙的制备及表面改性

将石灰石置于马弗炉1100℃高温煅烧2.5h,得到的氧化钙与自来水按1:5的灰水质量比进行消化反应,经过200目过筛除杂后陈化48h。陈化后的氢氧化钙浆液比重调整至1.060g/cm3,温度冷却至22℃,然后输送至100L的搅拌碳化釜,通入CO2质量浓度为32%的混合气体进行碳化反应,气体流量为8m3/h,搅拌转速为300r/min。碳化结束后,得到比表面积为24.35m2/g的纳米碳酸钙浆液,将该浆液分为四组,按表1配方分别进行表面预处理改性,改性完成后经压滤、干燥和粉碎,得到的粉体再分别加入2.0%(以纳米碳酸钙干基量计算,下同)KH-550偶联剂进行二次干法改性。


2、试验结果

(1)将NCC-1、NCC-2和NCC-3三种粉体在不经任何处理的情况下用扫描电镜进行观察分析,如图所示,在同等放大倍数条件下,NCC-1(A)粉体基本呈现团聚的趋势,平均团聚粒径在20~40μm左右;而NCC-2(B)的团聚情况则明显改善,平均团聚粒径在5~10μm之间;分散效果最好的为NCC-3(C)粉体,有较大一部分粒子呈现单分散的状态(D),是一种较为理想的分布状态。


 

NCC-1采用的是一种目前工业上较为传统的改性工艺,即将硬脂酸进行皂化预处理(氢氧化钙用量为硬脂酸质量的14%~15%左右,本论文采用15%的工艺),使改性剂由疏水性变为亲水性,从而能更好的完成对纳米碳酸钙浆液的湿法改性。而硅烷偶联剂由于极易水解,故一般只能用作干法改性。从SEM结果来看,该粉体的分散性效果欠佳,粒子基本呈团聚趋势。

NCC-2和NCC-3则分别加大了不同剂量的氢氧化钠,其作用有两个,一是为了皂化硬脂酸,另一个则可以在纳米碳酸钙表面提供一定数量的OH-离子,为后期硅烷偶联剂的干法改性提供更便利的结合条件。

从SEM结果来看,随着氢氧化钠用量的提高,粉体的分散效果更好。在传统纳米碳酸钙制备工艺中引入过量的OH-,有助于硅烷偶联剂的接枝包覆改性。

(2)硅烷偶联剂改性后的纳米碳酸钙与PVC基材相容性好,可以降低加工黏度和促进塑化过程,且能够有效改善复合材料的热稳定性能和力学性能。

(3)改性工艺简便可行,有利于工业化生产。
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