何　力，吳紫維，錢晶晶，陳益人

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重質(zhì)碳酸鈣活化的研究

何力，吳紫維，錢晶晶，陳益人*

（武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

采用硬脂酸對(duì)1500目重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行濕法活化，利用正交實(shí)驗(yàn)研究了硬脂酸加入量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)活化效果的影響。測(cè)定了改性前后重質(zhì)碳酸鈣活化度，并用紅外光譜進(jìn)行表征。

重質(zhì)碳酸鈣；硬脂酸；活化

由于重質(zhì)碳酸鈣粉具有一系列優(yōu)越的物化性質(zhì)（尤其是物理性質(zhì)），諸如易分散性、表面親水性、光澤度和白度、硬度低、填充量大等，因而是重要的化工原料，其應(yīng)用領(lǐng)域包括造紙、塑料、橡膠、電纜、油漆和涂料、粘結(jié)劑、密封劑、日化、醫(yī)藥、飼料以及復(fù)合新型鈣塑材料等。由于重鈣的工業(yè)性能好、來(lái)源廣、價(jià)格低，其新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)[1]。

但碳酸鈣填充于各種聚合物中，存在明顯的缺點(diǎn)：一是表面親水疏油，在聚合物內(nèi)部分散性差；二是碳酸鈣和高聚物本體結(jié)合力差，僅能起增容作用，當(dāng)使用高比例碳酸鈣填充時(shí)，會(huì)導(dǎo)致聚合物材料性能急劇下降，以致于制品難以被加工和使用[2]。為了改善重質(zhì)碳酸鈣與聚合物的相容性和分散性，增強(qiáng)其親和力，必須采用不同的表面改性劑和處理方法對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性。目前碳酸鈣表面改性的方法有：表面化學(xué)反應(yīng)改性、偶聯(lián)劑改性、機(jī)械化學(xué)改性、表面接枝改性、表面包覆改性等[3]。

硬脂酸是一種成本低廉的有機(jī)酸，其分子結(jié)構(gòu)中具有類似偶聯(lián)劑的親水疏油的基團(tuán)[4]。所以，本文采用硬脂酸，應(yīng)用濕法表面改性處理方法對(duì)1500目重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行活化，將活化度作為評(píng)價(jià)重質(zhì)碳酸鈣改性效果的指標(biāo)，考察在常壓條件下，通過(guò)改變添加表面改性劑用量、活化時(shí)間和活化溫度觀察對(duì)重質(zhì)碳酸鈣的改性效果，研究改性劑用量、改性溫度和改性時(shí)間等因素對(duì)改性效果的影響，進(jìn)而為重質(zhì)碳酸鈣的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑及儀器見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

1.2 重質(zhì)碳酸鈣的活化

取一定量1500目重質(zhì)碳酸鈣粉末，加入適量的三級(jí)水，將懸浮液倒入三口燒瓶中，用集熱式恒溫磁力攪拌器進(jìn)行加熱，控制一定的溫度，預(yù)熱一段時(shí)間后，邊攪拌邊加入一定量的硬脂酸，反應(yīng)一定時(shí)間后進(jìn)行過(guò)濾、烘干、研磨得到改性產(chǎn)品。針對(duì)改性時(shí)間、改性溫度和改性劑用量三個(gè)因素，采用三因素三水平（表2）的正交試驗(yàn)方法，調(diào)整不同的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，制備不同改性產(chǎn)品。

表2 因素水平表

1.3 改性重質(zhì)碳酸鈣活化度的測(cè)定

活化度反映了碳酸鈣表面改性的程度。碳酸鈣表面在未改性之前是強(qiáng)極性的，表現(xiàn)為很好的親水性能，將它放入水中之后碳酸鈣會(huì)自動(dòng)沉降；由于硬脂酸是兩親物質(zhì)，通過(guò)對(duì)碳酸鈣表面進(jìn)行活化，硬脂酸的極性基團(tuán)與碳酸鈣表面結(jié)合，向外露出疏水基團(tuán)，從而使其碳酸鈣表面呈現(xiàn)非極性的狀態(tài)，此時(shí)碳酸鈣表面具有了疏水性能，由于其表面巨大的表面張力，從而使碳酸鈣在水中不沉，始終在水面上漂浮。

實(shí)驗(yàn)方法參考《GBT 19281-2003 碳酸鈣分析方法》中活化度的測(cè)定[63]。稱取約5g試樣，精確到小數(shù)點(diǎn)后第二位，即0.01g。250mL的分液漏斗中將稱量好的碳酸鈣放入，加入200mL三級(jí)水，振蕩時(shí)間1min，振蕩方式為往復(fù)式。振蕩完后將分液漏斗放置于漏斗架上。靜置(20～30) min，觀察漏斗，當(dāng)里面出現(xiàn)明顯分層之后，一次性將沉淀的碳酸鈣分離出來(lái)，將沉淀物放置于放入砂芯坩堝中，坩堝已經(jīng)預(yù)先在(105±5)℃的烘箱中烘置恒重(精確到0.001g )，抽去多余的水份，將坩堝置于烘箱中，在(105±5)℃的環(huán)境下進(jìn)行干燥至恒重，精確到0.001g。

式中：m2—未被活化的碳酸鈣和砂芯坩堝的重量之和，單位為克(g)；m1—砂芯坩堝的重量，單位為克(g)；m—試料質(zhì)量的數(shù)值，單位為克(g)。

取兩次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果修約至小數(shù)點(diǎn)后一位。

1.4 紅外光譜分析

取少量改性前后的重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行紅外分析，觀察紅外光譜的變化情況，光譜的掃描范圍為400～4000cm-1。

2 結(jié)果和討論

2.1 正交試驗(yàn)分析

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)：

（1）T1>T2>T3，可見對(duì)活化度來(lái)說(shuō)，硬脂酸用量是影響活化度的主要因素，溫度次之，時(shí)間的影響最小。

（2）就硬脂酸用量來(lái)說(shuō)，由Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1依次遞增，但Ⅱ1、Ⅲ1相近，而比Ⅰ1大一些可以看出：隨著硬脂酸用量的增大，活化度不斷提高。不過(guò)，隨著硬脂酸用量的繼續(xù)添加，到一定程度后對(duì)提高活化度并不明顯，參考有關(guān)文獻(xiàn)，可能還有降低活化度的可能。因此，硬脂酸的用量有一個(gè)峰值，在本次正交試驗(yàn)中，2%的添加量是效果最好的。

（3）就溫度來(lái)說(shuō)，由于由Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2依次均勻遞增，可以看出：隨著溫度的提高，活化度不斷提高。

（4）就改性時(shí)間來(lái)說(shuō)，由Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3依次遞增，可以看出：隨著改性時(shí)間的延長(zhǎng)，活化度不斷提高。但Ⅱ3與Ⅲ3的增加幅度大于Ⅰ3與Ⅱ3，可以判斷，時(shí)間在50分鐘時(shí)活化度有個(gè)小的提高。

（5）由以上分析可以看出：如果要做進(jìn)一步試驗(yàn)，想得到更合理、更佳的配比，硬脂酸用量選取值區(qū)間不宜太大，在2%附近小范圍選取；溫度可以適當(dāng)再升高測(cè)試下，時(shí)間也可以稍微延長(zhǎng)。更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫礁鼮闇?zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方案。

2.2改性前后碳酸鈣的紅外光譜

針對(duì)改性前后的碳酸鈣進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見圖1（其中粗線及黑色數(shù)字為未活化的重質(zhì)碳酸鈣，細(xì)線及紅色數(shù)字為活化后重質(zhì)碳酸鈣）。

對(duì)比圖1改性前后碳酸鈣的紅外光譜可以看出：改性后碳酸鈣在波數(shù)1427cm-1處的吸收帶寬度明顯變窄，并且在2918cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，這些表明硬脂酸已經(jīng)牢固的鍵合在碳酸鈣表面。

圖1 改性前后碳酸鈣的紅外光譜

3 結(jié)論

從對(duì)活化度和紅外光譜的分析，證明用濕法活化重質(zhì)碳酸鈣是有效的，表明了硬脂酸具有良好的親水疏油的活性基團(tuán)，能顯著改善重質(zhì)碳酸鈣的性能，增加活化度。通過(guò)對(duì)重質(zhì)碳酸鈣的活化試驗(yàn)可大致確定硬脂酸改性重質(zhì)碳酸鈣的較佳工藝條件為：硬脂酸用量2%，活化溫度90℃，活化時(shí)間50分鐘。對(duì)比改性前后碳酸鈣的紅外光譜可以看出，硬脂酸可以對(duì)重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，提高重質(zhì)碳酸鈣的表面性能。

[1] 任曉玲，駱振福，吳成寶，等. 重質(zhì)碳酸鈣的表面改性研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（2）：269-272.

[2] 陳燁璞，吉紅念，趙英剛，等. 碳酸鈣填料的表面改性[J].無(wú)錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18（4）：11-15.

[3] 金瑞娣，賈雪平.硬脂酸鈉原位改性碳酸鈣的研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2008，40（1）：32-34.

[4] 周學(xué)永，尹業(yè)平，鐘萬(wàn)維. 硬脂酸改性碳酸鈣的效果表征和改性機(jī)理探討［J］. 廣東化工，2006，33（2）：24-26.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 19281-2003，碳酸鈣分析方法[S]．

Study on Activation of Heavy Calcium Carbonate

HE Li, WU Zi-wei, QIAN Jing-jing, CHEN Yi-ren

(College of Textile, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

The 1500 mesh heavy calcium carbonate are wet activated with stearic acid, using orthogonal experiment to study on the activation effect of the amount of stearic acid, the reaction temperature and reaction time. Measured activation degree of heavy calcium carbonate before and after modification, and characterized by infrared spectrum.

Heavy Calcium Carbonate; Stearic Acid; Activation

TQ132.3+2

A

1009－5160(2012)03－0034－03

湖北省科技廳基金項(xiàng)目（101381）.

*通訊作者：陳益人（1964-），女，教授，研究方向：紡織品設(shè)計(jì)及檢驗(yàn).