常溫下重質(zhì)碳酸鈣的研磨改性一體化工藝研究*

楊 雷，蔣忠誠(chéng)，董家璋

（湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082）

研究與開(kāi)發(fā)

常溫下重質(zhì)碳酸鈣的研磨改性一體化工藝研究*

楊 雷，蔣忠誠(chéng)，董家璋

（湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082）

在粒徑為45 μm重質(zhì)碳酸鈣的漿料中加入硬脂酸，利用研磨改性法，在研磨粉碎的同時(shí)制備了改性碳酸鈣漿料，烘干粉碎后再對(duì)碳酸鈣干粉進(jìn)行改性。利用激光粒度分析等手段分別對(duì)碳酸鈣干粉的粒度、表面活化度、吸油值、白度做了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常溫下可以實(shí)現(xiàn)重質(zhì)碳酸鈣研磨改性一體化工藝。研磨后碳酸鈣顆粒的粒徑由45 μm降至2 μm。隨著硬脂酸的添加量逐漸增加，重質(zhì)碳酸鈣的活化度增加，吸油值下降。當(dāng)硬脂酸的添加量增至2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，重質(zhì)碳酸鈣的活化度超過(guò)98%，吸油值降至0.267 g/g。重質(zhì)碳酸鈣研磨改性一體化工藝有利于降低重質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

重質(zhì)碳酸鈣；硬脂酸；粒度；活化度

作為一種重要的無(wú)機(jī)顏料填料，重質(zhì)碳酸鈣廣泛地應(yīng)用于橡膠、涂料、造紙和塑料行業(yè)中［1］。然而未經(jīng)改性的重質(zhì)CaCO3表面親水性強(qiáng)，與有機(jī)物之間的親和性和相容性比較差，容易在基質(zhì)材料中團(tuán)聚，從而在填料與高分子聚物的界面上形成缺陷［2］。這種界面缺陷十分容易產(chǎn)生局部應(yīng)力，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能降低，韌性降低，從而使重質(zhì)CaCO3顆粒的補(bǔ)強(qiáng)作用喪失［3］。采用表面改性劑對(duì)重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面包覆改性，改性劑中的親油基團(tuán)可以牢固地與高分子聚合物結(jié)合，而改性劑中的親水基團(tuán)則與重質(zhì)CaCO3顆粒表面相互結(jié)合。這樣可以降低無(wú)機(jī)填料 （重質(zhì)碳酸鈣）與基質(zhì)材料之間的界面能，從而使重質(zhì)碳酸鈣和聚合物這2種相容性較差的材料通過(guò)表面包覆改性劑這一“分子橋”緊密地結(jié)合在一起，有利于大幅改善復(fù)合材料的整體性能［4］。因此，為了獲得綜合性能良好的復(fù)合材料，需采用表面包覆改性的方法，充分提高重質(zhì)CaCO3顆粒材料在基質(zhì)材料中的分散性。

用于重質(zhì)碳酸鈣的表面包覆改性劑一般采用低分子量和具有雙親結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物。其中，硬脂酸是應(yīng)用廣泛的重質(zhì)碳酸鈣表面包覆改性劑［5］。但是，要實(shí)現(xiàn)改性劑對(duì)重質(zhì)碳酸鈣之間均勻的包覆，需要在較高溫度、較長(zhǎng)時(shí)間和較高機(jī)械力條件下進(jìn)行，這又會(huì)導(dǎo)致重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)工序的增加。研磨工藝能夠磨碎顆粒，形成較大的新生成的表面。這些新生成的表面具有較高的表面能，容易吸附表面改性劑，因此有利于實(shí)現(xiàn)常溫條件下改性劑對(duì)重質(zhì)碳酸鈣均勻的包覆。筆者探討了重質(zhì)碳酸鈣研磨和表面改性一體化的新工藝，以期對(duì)重質(zhì)碳酸鈣的改性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 改性重質(zhì)CaCO3的制備

稱取900 g粒度約為45 μm的CaCO3干粉，配成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的漿料，加入硬酯酸，硬酯酸為CaCO3干粉質(zhì)量的1%～3%。漿料在42℃時(shí)初始黏度為147 mPa·s，靜止20 min后黏度228 mPa·s。CaCO3漿料體積約為 600 mL。在攪拌分散機(jī)中以1 000 r/min的速度攪拌90 min。停止攪拌，取出漿料，置于180℃的干燥箱中烘干，烘干后取出改性塊體，采用粉碎機(jī)高速粉碎3 min，得到改性的CaCO3干粉。

1．2 樣品的性能及表征

采用LS-POP（6）型激光粒度分析儀分析重質(zhì)CaCO3的粒度；采用YQ-Z-48A白度儀測(cè)量樣品的白度；重質(zhì)CaCO3的活化度和吸油值按照HG/T 2567—1994《工業(yè)活性沉淀碳酸鈣》的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性重質(zhì)CaCO3的粒度分析

圖1為采用研磨法制備的重質(zhì)碳酸鈣在不同硬脂酸添加量下的激光粒度分布。由圖1可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)研磨后，產(chǎn)品峰值粒度為2 μm，粒度主要分布在0～6 μm區(qū)間，粒度分布范圍窄，基本符合高斯分布。與原始的45 μm顆粒相比，重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品的顆粒明顯減小。從累計(jì)粒度分布看，當(dāng)硬脂酸的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為 0%、1%、2%、3%時(shí)，粒度≤4.24 μm的顆粒分別占98.4%、98.4%、98.99%、98.53%。說(shuō)明隨著硬脂酸的添加，一定程度上起到了助磨效果，使重質(zhì)碳酸鈣的粒度略有減小。但從總體上看，硬脂酸的添加量對(duì)產(chǎn)品的粒度分布影響不大。

圖1 研磨后重質(zhì)碳酸鈣在不同硬脂酸添加量下的激光粒度分布圖

2.2 活化度和吸油值分析

圖2為不同硬脂酸添加量對(duì)改性重質(zhì)CaCO3的活化度和吸油值的影響。

由圖2可見(jiàn)，硬脂酸添加量對(duì)產(chǎn)品的活化度和吸油值有較大影響。隨著硬脂酸添加量的增加，重質(zhì)CaCO3的活化度大幅提高。當(dāng)硬脂酸的添加量增至2%后，重質(zhì)CaCO3的活化度超過(guò)98%。與此同時(shí)，隨著硬脂酸添加量的增加，重質(zhì)CaCO3的吸油值反而降低。當(dāng)硬脂酸的添加量增至2%后，重質(zhì)CaCO3的吸油值達(dá)到0.267 g/g。

圖3為不同硬脂酸添加量對(duì)改性重質(zhì)CaCO3白度的影響。

圖3 不同硬脂酸添加量對(duì)研磨后重質(zhì)碳酸鈣白度的影響

由圖3可見(jiàn)，隨著硬脂酸添加量的增加，重質(zhì)CaCO3的白度略有降低。當(dāng)添加量由0%增至3%時(shí)，活性重質(zhì)CaCO3的白度由94.2%降至92.44%，依然可以滿足白色顏料的需求。

3 結(jié)論

在粒度為45 μm的重質(zhì)CaCO3漿料中加入硬脂酸，利用研磨改性法，在研磨粉碎的同時(shí)制備了改性CaCO3漿料，烘干粉碎后對(duì)CaCO3干粉改性。利用激光粒度分析等手段分別對(duì)CaCO3干粉的粒徑、活化度和吸油值做了研究。結(jié)果表明，常溫下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重質(zhì)碳酸鈣研磨改性一體化的工藝。研磨后CaCO3顆粒粒徑由45 μm降至2 μm。隨著硬脂酸的添加量逐漸增加，重質(zhì)碳酸鈣的活化度增加，吸油值下降。當(dāng)硬脂酸的添加量增至2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，重質(zhì)CaCO3的活化度超過(guò)98%，吸油值降至0.267 g/g。研磨改性一體化工藝有助于降低重質(zhì)CaCO3的生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 胡曉波，劉寶樹(shù)，胡慶福.重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2001，7（1）:24-28.

［2］ 程國(guó)君，于秀華，唐忠峰，等.超細(xì)CaCO3的硅烷偶聯(lián)劑表面化學(xué)修飾研究［J］.非金屬礦，2012，35（2）:15-17.

［3］ 高巖磊，劉樹(shù)彬，劉會(huì)茹，等.Nano-CaCO3的表面改性及其在HDPE中的應(yīng)用研究［J］.塑料科技，2012，40（6）:51-53.

［4］ 楊冬亞，邱鳳仙，朱復(fù)紅，等.改性納米CaCO3復(fù)合粒子的制備、表征及性能［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37（A02）: 351-354.

［5］ 王權(quán)廣，朱勇，黃煒民，等.納米碳酸鈣的原位包覆及應(yīng)用［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2012，44（10）:31-34.

Integration technology study on grinding and modification of ground calcium carbonate under room temperature

Yang Lei，Jiang Zhongcheng，Dong Jiazhang
（College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Adding stearic acid to 45 μm ground calcium carbonate（GCC）pulp，modified CaCO3pulp was prepared by grinding modification method，i.e.abrasive grinding and modification were performed simultaneously.Then CaCO3powder was modified again after drying and crushing.Particle size，surface activation degree，oil absorption，and whiteness of the CaCO3powder were analyzed by laser particle size analyzer and other analysis methods.It was found that the integration of abrasive grinding and modification for GCC could be realized simultaneously under room temperature.The particle size of CaCO3was reduced to 2 μm from 45 μm after the abrasive grinding.With the increasing amounts of stearic acid，the activation degree of GCC increased，but its oil absorption decreased.When the amounts of stearic acid increased to 2%（mass fraction），the activation degree of GCC was over 98%and oil absorption reduced to 0.267 g/g.Results showed that the integration technology of abrasive grinding and modification for GCC have great significance to reduce the production cost and increase the competitiveness of the products.

ground calcium carbonate；stearic acid；particle size；activation degree

TQ132.32

A

1006-4990（2015）05-0012-03

2014-11-16

楊雷（1978—），男，博士，副教授，主要從事納米材料方面的研究。

中國(guó)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11104066）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013JJ8004）；湖南大學(xué)中央專項(xiàng)資助項(xiàng)目（531107040172）。

聯(lián)系方式：nanoyang@qq.com