重质碳酸钙活化的研究

何　力，吴紫维，钱晶晶，陈益人



重质碳酸钙活化的研究

何力，吴紫维，钱晶晶，陈益人*

（武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073）

采用硬脂酸对1500目重质碳酸钙进行湿法活化，利用正交实验研究了硬脂酸加入量、反应温度和反应时间对活化效果的影响。测定了改性前后重质碳酸钙活化度，并用红外光谱进行表征。

重质碳酸钙；硬脂酸；活化

由于重质碳酸钙粉具有一系列优越的物化性质（尤其是物理性质），诸如易分散性、表面亲水性、光泽度和白度、硬度低、填充量大等，因而是重要的化工原料，其应用领域包括造纸、塑料、橡胶、电缆、油漆和涂料、粘结剂、密封剂、日化、医药、饲料以及复合新型钙塑材料等。由于重钙的工业性能好、来源广、价格低，其新的应用领域不断出现[1]。

但碳酸钙填充于各种聚合物中，存在明显的缺点：一是表面亲水疏油，在聚合物内部分散性差；二是碳酸钙和高聚物本体结合力差，仅能起增容作用，当使用高比例碳酸钙填充时，会导致聚合物材料性能急剧下降，以致于制品难以被加工和使用[2]。为了改善重质碳酸钙与聚合物的相容性和分散性，增强其亲和力，必须采用不同的表面改性剂和处理方法对碳酸钙进行表面改性。目前碳酸钙表面改性的方法有：表面化学反应改性、偶联剂改性、机械化学改性、表面接枝改性、表面包覆改性等[3]。

硬脂酸是一种成本低廉的有机酸，其分子结构中具有类似偶联剂的亲水疏油的基团[4]。所以，本文采用硬脂酸，应用湿法表面改性处理方法对1500目重质碳酸钙进行活化，将活化度作为评价重质碳酸钙改性效果的指标，考察在常压条件下，通过改变添加表面改性剂用量、活化时间和活化温度观察对重质碳酸钙的改性效果，研究改性剂用量、改性温度和改性时间等因素对改性效果的影响，进而为重质碳酸钙的应用提供依据。

1 实验部分

1.1 原料和仪器

实验试剂及仪器见表1。

表1 实验试剂及仪器

1.2 重质碳酸钙的活化

取一定量1500目重质碳酸钙粉末，加入适量的三级水，将悬浮液倒入三口烧瓶中，用集热式恒温磁力搅拌器进行加热，控制一定的温度，预热一段时间后，边搅拌边加入一定量的硬脂酸，反应一定时间后进行过滤、烘干、研磨得到改性产品。针对改性时间、改性温度和改性剂用量三个因素，采用三因素三水平（表2）的正交试验方法，调整不同的参数进行试验，制备不同改性产品。

表2 因素水平表

1.3 改性重质碳酸钙活化度的测定

活化度反映了碳酸钙表面改性的程度。碳酸钙表面在未改性之前是强极性的，表现为很好的亲水性能，将它放入水中之后碳酸钙会自动沉降；由于硬脂酸是两亲物质，通过对碳酸钙表面进行活化，硬脂酸的极性基团与碳酸钙表面结合，向外露出疏水基团，从而使其碳酸钙表面呈现非极性的状态，此时碳酸钙表面具有了疏水性能，由于其表面巨大的表面张力，从而使碳酸钙在水中不沉，始终在水面上漂浮。

实验方法参考《GBT 19281-2003 碳酸钙分析方法》中活化度的测定[63]。称取约5g试样，精确到小数点后第二位，即0.01g。250mL的分液漏斗中将称量好的碳酸钙放入，加入200mL三级水，振荡时间1min，振荡方式为往复式。振荡完后将分液漏斗放置于漏斗架上。静置(20～30) min，观察漏斗，当里面出现明显分层之后，一次性将沉淀的碳酸钙分离出来，将沉淀物放置于放入砂芯坩埚中，坩埚已经预先在(105±5)℃的烘箱中烘置恒重(精确到0.001g )，抽去多余的水份，将坩埚置于烘箱中，在(105±5)℃的环境下进行干燥至恒重，精确到0.001g。

式中：m2—未被活化的碳酸钙和砂芯坩埚的重量之和，单位为克(g)；m1—砂芯坩埚的重量，单位为克(g)；m—试料质量的数值，单位为克(g)。

取两次测试结果的平均值作为试验结果，计算结果修约至小数点后一位。

1.4 红外光谱分析

取少量改性前后的重质碳酸钙进行红外分析，观察红外光谱的变化情况，光谱的扫描范围为400～4000cm-1。

2 结果和讨论

2.1 正交试验分析

表3 正交试验数据

通过表3可以发现：

（1）T1>T2>T3，可见对活化度来说，硬脂酸用量是影响活化度的主要因素，温度次之，时间的影响最小。

（2）就硬脂酸用量来说，由Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1依次递增，但Ⅱ1、Ⅲ1相近，而比Ⅰ1大一些可以看出：随着硬脂酸用量的增大，活化度不断提高。不过，随着硬脂酸用量的继续添加，到一定程度后对提高活化度并不明显，参考有关文献，可能还有降低活化度的可能。因此，硬脂酸的用量有一个峰值，在本次正交试验中，2%的添加量是效果最好的。

（3）就温度来说，由于由Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2依次均匀递增，可以看出：随着温度的提高，活化度不断提高。

（4）就改性时间来说，由Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3依次递增，可以看出：随着改性时间的延长，活化度不断提高。但Ⅱ3与Ⅲ3的增加幅度大于Ⅰ3与Ⅱ3，可以判断，时间在50分钟时活化度有个小的提高。

（5）由以上分析可以看出：如果要做进一步试验，想得到更合理、更佳的配比，硬脂酸用量选取值区间不宜太大，在2%附近小范围选取；温度可以适当再升高测试下，时间也可以稍微延长。更进一步实验能得到更为准确的实验方案。

2.2改性前后碳酸钙的红外光谱

针对改性前后的碳酸钙进行红外光谱分析，结果见图1（其中粗线及黑色数字为未活化的重质碳酸钙，细线及红色数字为活化后重质碳酸钙）。

对比图1改性前后碳酸钙的红外光谱可以看出：改性后碳酸钙在波数1427cm-1处的吸收带宽度明显变窄，并且在2918cm-1处出现了吸收峰，这些表明硬脂酸已经牢固的键合在碳酸钙表面。

图1 改性前后碳酸钙的红外光谱

3 结论

从对活化度和红外光谱的分析，证明用湿法活化重质碳酸钙是有效的，表明了硬脂酸具有良好的亲水疏油的活性基团，能显著改善重质碳酸钙的性能，增加活化度。通过对重质碳酸钙的活化试验可大致确定硬脂酸改性重质碳酸钙的较佳工艺条件为：硬脂酸用量2%，活化温度90℃，活化时间50分钟。对比改性前后碳酸钙的红外光谱可以看出，硬脂酸可以对重质碳酸钙进行表面改性，提高重质碳酸钙的表面性能。

[1] 任晓玲，骆振福，吴成宝，等. 重质碳酸钙的表面改性研究[J].中国矿业大学学报，2011，40（2）：269-272.

[2] 陈烨璞，吉红念，赵英刚，等. 碳酸钙填料的表面改性[J].无锡轻工大学学报，1998，18（4）：11-15.

[3] 金瑞娣，贾雪平.硬脂酸钠原位改性碳酸钙的研究[J]. 无机盐工业，2008，40（1）：32-34.

[4] 周学永，尹业平，钟万维. 硬脂酸改性碳酸钙的效果表征和改性机理探讨［J］. 广东化工，2006，33（2）：24-26.

[5] 中华人民共和国国家标准，GB/T 19281-2003，碳酸钙分析方法[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

湖北省科技厅基金项目（101381）.

*通讯作者：陈益人（1964-），女，教授，研究方向：纺织品设计及检验.