活性碳酸鈣粒度分布的測定方法

張立新

（國家非金屬礦深加工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，安徽池州247000）

活性碳酸鈣作為塑料、橡膠、涂料等行業(yè)的主要填充料，因其分散性能好、使用方便已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用[1]。評價活性碳酸鈣質(zhì)量優(yōu)劣的技術(shù)指標主要為吸油量和粒度分布[2]，其中粒度分布差異將直接影響制品的機械性能和表面質(zhì)量。目前活性碳酸鈣粒度測試方法主要為激光粒度法，采用標準推薦測試方法時發(fā)現(xiàn)[3]：由于活性碳酸鈣親油疏水，采用乙醇浸濕后的活性碳酸鈣粉體不易在水介質(zhì)中實現(xiàn)良好分散[4，5]。因此，建立一種簡單、適應(yīng)活性碳酸鈣粒度分布的檢測方法，對指導工藝改良和生產(chǎn)質(zhì)量控制具有實際意義。

本文采用熱分析儀分別對兩種不同改性劑包覆的活性碳酸鈣進行熱分解實驗，通過對活性碳酸鈣表面的改性劑進行分解脫除，實現(xiàn)用激光粒度分析儀直接測定活性碳酸鈣粒度分布的目的。

1 實驗部分

1.1 儀器、樣品與試劑

儀器：法國setram公司labsysevo熱分析儀；英國Malern公司Mastersizer2000激光粒度分析儀；樣品：活性碳酸鈣，1#樣品（偶聯(lián)劑表面包覆），2#樣品（硬脂酸表面包覆）；實驗用水為MilliporeQ純水機生產(chǎn)的一級純水。

1.2 實驗方法

1.2.1 熱分析方法

分別稱取約 20mg活性碳酸鈣樣品（1#、2#），放入氧化鋁熱分析坩堝。熱分析儀參數(shù)：載氣N2流量20mL/min；升溫范圍：室溫～600℃；升溫速率：10℃/min。

1.2.2 激光粒度分析方法

稱取少量樣品，放入分散器（分散介質(zhì)：一級純水）內(nèi)分散，濃度以不超過儀器遮光度20%。如有必要需超聲數(shù)分鐘，待遮光度穩(wěn)定后開始進行粒度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱分解實驗

選取兩種不同改性劑包覆的樣品進行熱重試驗，結(jié)果見圖1、圖2。從實驗結(jié)果看：1#樣品在溫度范圍39.24℃～167.49℃出現(xiàn)一次失重熱分解，失重率為0.14%，顆粒表面的吸附水脫出；227.00℃～376.79℃出現(xiàn)第二次失重，應(yīng)是因庫侖力物理吸附在碳酸鈣粉體表面的偶聯(lián)劑脫出，失重率為0.12%；400.37℃～550.21℃出現(xiàn)第三次失重，偶聯(lián)劑與碳酸鈣之間的化學鍵發(fā)生斷裂、分解脫出，失重率為0.65%；自550.21℃后碳酸鈣開始分解。2#樣品在溫度范圍73.81℃～179.48℃出現(xiàn)一次失重熱分解，失重率為0.045%，顆粒表面的吸附水脫出；215.79℃～277.52℃出現(xiàn)第二次失重，應(yīng)是因庫侖力物理吸附在碳酸鈣粉體表面的改性劑脫出，失重率為0.04%；310.72℃～552.30℃出現(xiàn)第三次失重，改性劑與碳酸鈣之間的化學鍵發(fā)生斷裂、分解脫出，失重率為0.56%；自550.21℃后碳酸鈣開始分解。

由于碳酸鈣分子和包覆的改性劑大分子之間的化學鍵力要小于碳酸鈣分子內(nèi)部的晶格鍵合力[6，7]，所以碳酸鈣表面包覆的改性劑首先發(fā)生分解脫出后碳酸鈣才開始分解，這與熱重實驗結(jié)果相吻合。

2.2 粒度分析實驗

2.2.1 樣品預處理

由于活性碳酸鈣難以在水分散介質(zhì)中進行粒度試驗，現(xiàn)對活性碳酸鈣樣品進行熱處理，將表面改性劑脫除。根據(jù)表面改性劑的脫出溫度和碳酸鈣分解溫度，將熱處理溫度設(shè)置為450℃、500℃、550℃，保溫時間為30min。將不同熱處理溫度下的1#、2#樣品按照激光粒度分析的操作方法重復測試5次，5次測試結(jié)果的平均值和相對標準偏差RSD見表1、圖3、圖4。結(jié)果顯示，5次粒度分布重復測試的相對標準偏差RSD均小于5%，這表明樣品粒度測試的結(jié)果具有良好的重復性。

表1 1#、2#樣品粒度測試結(jié)果

從不同溫度處理后1#、2#樣品的粒度測試結(jié)果看，經(jīng)450℃處理后，粒度分布出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，表明表面包覆的活性劑未完全分解脫出。相對于500℃的處理溫度，550℃處理溫度下的樣品粒度要略有降低，這可能是碳酸鈣在550℃下發(fā)生了少量的分解所致。分析表明，熱處理溫度設(shè)置在500℃較為合適，此時的粒度分布呈單峰，無拖尾現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.2 熱處理前后的粒度差異性分析

從熱重試驗結(jié)果看，改性劑的用量不到樣品質(zhì)量的1%，而粒度測試的偏差要求不大于5%[8]，所以活性碳酸鈣樣品熱處理前后粒度分布的變化差異可忽略不計。

3 結(jié)論

將活性碳酸鈣加熱至500℃，保溫30min進行處理后，再用激光粒度分析儀直接進行粒度分布的測定是可行的。該方法操作簡便，重復性好，為激光粒徑法測定活性碳酸鈣的粒度分布提供借鑒和參考。

[1]胡慶福,胡曉波，劉寶樹.超細重質(zhì)碳酸鈣（含活性）生產(chǎn)工藝研究[J].非金屬礦，2001，24（1）:23-25.

[2]陸樹新，張秋禹，周桓，等.超分散劑對重質(zhì)碳酸鈣的兩親性改性研究[J].化學工程，2009，37（10）:54-57.

[3]HG/T 3249-2013，重質(zhì)碳酸鈣[S].

[4]任俊，沈健，盧壽慈.顆粒分散科學與技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005:225.

[5]陳均志，趙艷娜.輕質(zhì)碳酸鈣的表面改性及其界面行為[J].碳酸鈣改性，2004，23（1）：14-16.

[6]唐艷軍，李友明，宋晶，等.納米/微米碳酸鈣的結(jié)構(gòu)表征和熱分解行為[J].物理化學學報，2007，23（5）：717-722.

[7]丁士育，金鑫，陳欣.改性納米碳酸鈣粉體的制備及其耐酸性[J].硅酸鹽學報，2005，33（3）：350-354.

[8]GB/T 19077.1-2008，粒度分析激光衍射法[S].□