改性纳米碳酸钙的应用研究进展.docx

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改性纳米碳酸钙的应用研究进展

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刁润丽赵伟普

摘要:纳米碳酸钙是一种重要的无机填料,具有许多优异的性能,但是由于其易团聚及与聚合物的亲和性差等特性影响其应用,因此需要先对其进行表面改性,才能充分发挥其纳米特性。本文简述了改性纳米碳酸钙在塑料、造纸、涂料、橡胶和聚合物等方面的应用研究进展,指出了应用过程中存在的问题,并对其发展前景进行了展望。

关键词:纳米碳酸钙;改性;应用

1前言

纳米碳酸钙是常见的一种化工填料,具有价格低廉、无刺激性、无毒、白度高、色泽好等优点,但是由于其粒径小、表面亲水性强、极易团聚等特性,在聚合物中很难分散,因此需要对其进行表面改性,减少团聚,才能在聚合物中获得更广泛的应用[1]。表面改性过的纳米碳酸钙经可以作为一种功能填充材料,在塑料、造纸、涂料、橡胶和聚合物等行业广泛应用[2]。

2纳米碳酸钙的性质

纳米碳酸钙具有下列几个特点:(1)平均粒径只有40nm,大约为普通碳酸钙的十分之一;(2)比表面积约为普通碳酸钙的9倍;(3)立方体状晶形,部分连接成链状,具有类结构性,与轻质和重质碳酸钙都不同;(4)表面活化率较高,具有多种不同的功能和用途;(5)白度较高,pH值为弱碱性[3,4]。

纳米碳酸钙由于粒径较小,具有普通碳酸钙所不具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,这使得纳米碳酸钙在力学、光学、电学等方面表现出与普通碳酸钙所不同的或反常的物化性质,如:增韧补强性、透明性、杀菌消毒等应用方面的特殊性能[5]。

3改性纳米碳酸钙的应用

3.1在塑料行业的应用

塑料的填充改性具有很长的历史,最初是为了降低成本,如在PVC硬制品中加入碳酸钙,不仅可降低成本,还可使PVC硬制品的力学性能得到提高。近年来,随着材料科学的热点向纳米材料转变,纳米碳酸钙在PVC行业中的应用引起了广泛的关注。普通碳酸钙在塑料中仅作为填充剂,而经过表面改性的活性纳米碳酸钙还可作为补强剂、活性剂等使用。目前,国内制备纳米碳酸钙/PVC复合材料首先是通过不同的途径对纳米碳酸钙进行表面改性,使其具有亲油性,然后PVC复合,处理后的PVC树脂其加工流动性、韧性、热稳定性和尺寸稳定性大大改善。PVC与表面处理后的纳米碳酸钙的复合方式主要有熔融共混法和原位聚合法两种,熔融共混法工艺简单,应用广泛,但纳米碳酸钙的团聚问题目前还没有得到有效解决;原位聚合法因工艺复杂而应用较少。因此,一段时间内研究的关键点依然是纳米碳酸钙与PVC树脂的复合问题。黄东等[6]首先对纳米碳酸钙进行湿法表面改性,然后制备纳米碳酸钙原位聚合PVC树脂。结果表明:纳米碳酸钙在PVC樹脂中分散均匀,复合材料的加工性能改善明显。

淀粉基生物降解塑料是当前最有潜力的生物降解塑料之一,它由可降解树脂与热塑性淀粉共混得到,为提高共混物的力学性能,可在其中加入适当的无机组分使其增强增韧。无机填料纳米碳酸钙可在降低成本的同时有效提高材料的韧性和抗冲击性,但是它与有机相界面的相容性不好,因而需要首先对其进行改性,然后再使用,从而提高淀粉基生物降解塑料的综合力学性能。崔永生等[7]研究了用不同的超支化聚酯改性剂改性纳米碳酸钙,然后和两亲性高分子增容剂一起加入淀粉基生物降解塑料中,结果共混物的ε提高,其中,经PEG-6000缩聚的超支化聚酯与柠檬酸改性过的纳米碳酸钙效果最佳,共混物的σ为22.7MPa,ε为20.2%,E为262.2MPa。

3.2在造纸工业的应用

造纸工业使用纳米碳酸钙具有以下优点:(1)纸制品的白度和蔽光性得到明显改善;(2)纳米碳酸钙对纸张的磨损更小,使纸制品能够更加均匀和平整;(3)减少纸浆用量增加填料用量,降低生产成本;(4)纳米碳酸钙的吸油性好,使彩色纸的颜料牢固性得到提高;(5)填充中性纸或纸板时,纳米碳酸钙能够提高它们的紧密度。目前造纸业应用较广泛的填料之一就是纳米碳酸钙,但是由于纳米碳酸钙粒径小、表面亲水性强、极易团聚等特性,直接添加时不能充分发挥其性能,因此需要首先对其进行表面改性。近年来,国际上做了很多研究,试图通过改性纳米碳酸钙来增加纸张强度。通过不同的途径首先对纳米碳酸钙进行表面改性,然后添加到纸张中,适应各种不同的要求,从而改善产品质量。

杨志远等[8]对改性纳米碳酸钙在纸张中的应用做了实验研究。发现改性后的纳米碳酸钙加入纸张中,可改善纸张的光散射系数和白度等性能。当添加15%的乳液时,涂布纸的光散射系数最大,白度最高,同时表面拉毛强度增大,涂膜强度得到提高,SEM分析显示,此时的涂层厚度约为25μm,纸张的表面平整度得到改善,原纸表面的平凹缺陷得到覆盖。

3.3在涂料工业的应用

纳米碳酸钙作为白色颜料用在涂料中,起到骨架支撑的作用,加入纳米碳酸钙可使底漆对基层表面

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