(中國粉體技術網/文龍)碳酸鈣晶須是近年出現的一種新型針狀材料,因其結晶形式為單晶,晶體內部幾乎無缺陷,具有強度高、模量高、耐熱與隔熱性好等優良特性,與塑料復合時和基體樹脂的相容性好,可以改善制品的加工性能,提高力學性能,以廣泛應用于汽車、塑料、電氣部件制造、高光潔度結構部件制造等領域。
由于CaCO3表面CO32-離子有相當大比例可被水解,導致粒子表面因存在大量羥基而變為親水疏油,在有機介質中難于均勻分散,與基料之間沒有結合力,易造成界面缺陷,必須對CaCO3晶須進行表面改性。通過改性,可以減小CaCO3顆粒間的附聚力,改善在基體中的分散性及穩定性,降低兩相界面張力,調節疏水性,提高與有機基料之間的潤濕性和結合力,進而改善復合材料的性能。
本文采用幾種改性劑對碳酸鈣晶須進行表面改性,從中選擇改性效果較好的改性劑進行條件試驗,分別考察改性劑用量、改性溫度、改性時間、攪拌轉速、烘干溫度等因素對碳酸鈣晶須表面改性效果的影響,得出最佳的改性工藝技術。
1. 實驗部分
1.1 實驗原料
文石相碳酸鈣晶須,文石相質量分數為87.9%,晶須平均長度為22.8μm,平均長徑比為14.1。
1.2 實驗試劑
硬脂酸、硬脂酸鈉、十八酸鋅、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、鈦酸酯NDZ101、鈦酸酯NDZ401、鋁酸酯、聚丙烯酰胺和硅烷KH570,均為分析純。
1.3 實驗設備
數顯懸臂式攪拌機,RW20.n型;接觸角測量儀,HARKE-CA型。
1.4 改性方法
取不同質量分數的碳酸鈣晶須料漿300mL,水浴加熱攪拌,一定溫度下逐漸加入改性劑的10mL無水乙醇溶液,改性處理一定時間后趁熱過濾,干燥后即得到改性碳酸鈣晶須產品。
2. 樣品表征
活化指數法通過測定水上的漂浮量,反映礦物粉體的改性程度。采用接觸角測定儀,測定水滴的接觸角θ,取三次的平均值為該樣品的接觸角。
3. 結果與討論
3.1 改性劑種類對碳酸鈣晶須改性效果的影響
實驗采用了以下幾種改性劑。由表1可以看出,鈦酸酯NDZ101、硬脂酸鈉、硬脂酸和十八酸鋅改性后產品的活化指數最大,其余的改性劑效果明顯比較差,甚至不起作用,接觸角的測定結果也說明了這一點,有的產品甚至將水珠吸收。在三種改性劑中硬脂酸鈉改性產品的接觸角最大,且成本較低,所以選用硬脂酸鈉作為碳酸鈣晶須的改性劑。
表1 不同改性劑對碳酸鈣晶須改性效果的影響
3.2 改性劑用量的影響
不同的改性劑用量對碳酸鈣晶須改性效果的影響如圖1所示。
圖1 改性劑用量與活化指數和接觸角的關系曲線
通過圖1,本試驗最終確定硬脂酸鈉改性碳酸鈣晶須的最佳改性劑用量為3%。
3.3 改性時間的影響
不同的改性時間對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖2。
圖2 改性時間與活化指數和接觸角的關系曲線
由圖2可知,改性時間短,硬脂酸鈉不能完全吸附在碳酸鈣晶須表面,改性時間為20min時,活化指數及接觸角達到最大,說明改性劑已完全包覆在碳酸鈣晶須的表面。隨著改性時間的延長,由于劇烈的攪拌,有一部分物理吸附在物料表面的改性劑又發生脫落,所以選定改性時間為20min。
3.4 改性溫度的影響
不同的改性溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖3。
圖3 改性溫度與活化指數和接觸角的關系曲線
在室溫20℃下對碳酸鈣晶須進行改性時,活化指數、接觸角已達99.4%和125.85℃,隨著改性溫度的升高,活化指數和接觸角的數據沒有大的變化,但所得改性產品烘干后較為蓬松,解聚更為容易,另外考慮到節能等因素,選擇改性溫度為80℃。
3.5 攪拌轉速對碳酸鈣晶須改性效果的影響
攪拌轉速對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖4。
圖4 攪拌轉速與活化指數和接觸角的關系曲線
隨著攪拌轉速的增加,活化指數和接觸角逐漸增大,說明攪拌轉速越大,改性劑和碳酸鈣晶須的分散性越好,改性劑分子和碳酸鈣晶須接觸的機會越多,改性越均勻,且攪拌轉速越大,所得產品在烘干后越松散,解聚越容易。當攪拌轉速達到1500 r/min時,活化指數達到最大,接觸角也達到147.22°,綜合考慮各因素,選擇最佳攪拌轉速為1500 r/min。
3.6 烘干溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響
烘干溫度對碳酸鈣晶須改性效果的影響見圖5。
圖5 烘干溫度與活化指數和接觸角的關系曲線
當烘干溫度小于100℃時,隨著烘干溫度的增加,活化指數及接觸角都逐漸增大;當烘干溫度達到100℃時,活化指數達到最大值100%,接觸角達到146.66°,隨著烘干溫度繼續增大,活化指數和接觸角反而減小,產品的白度逐漸降低。當烘干溫度達到150℃時,產品甚至變為深黃色,這是由于吸附在碳酸鈣晶須表面的改性劑顏色發生了變化造成的。
4. 結論
硬脂酸鈉改性碳酸鈣晶須的最佳試驗條件是:改性劑用量3%,改性溫度80℃,改性時間20 min,攪拌轉速1500 r/min,烘干溫度100℃,烘干時間3 h。在最佳試驗條件下,改性產品的活化指數為100%,接觸角為146.66°。
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