源磊小知識 | 納米碳酸鈣改性劑的種類

對納米碳酸鈣進行表面改性，不僅可增加碳酸鈣與高聚物的界面親和性，還可定性地吸附在納米碳酸鈣表面，形成電荷排斥作用，使其不易聚合并具有更好的穩定性、潤濕性和分散性。

表面改性的機理在于碳酸鈣內部的結構、成分，以及碳酸鈣表面基團的數量、種類和活性的影響，而表面處理的方式、表面處理劑的種類和活化過程也起到一定的作用。

目前，納米碳酸鈣常用的表面改性劑主要有：偶聯劑類、聚合物、表面活性劑、無機物以及復合使用無機物和有機物等。

（1）鈦酸酯偶聯劑

鈦酸酯偶聯劑分為單烷氧型、和配位型及螯合型，為了提高其反應的均勻性，需采用惰性溶劑進行溶解和稀釋，然后以噴霧形式加入表面改性機，可以更好地與碳酸鈣顆粒進行分散混合以及表面化學包覆。

鈦酸酯改性效果好，但因其顏色為棕色，改性后會影響產品的白度，且價格貴、可能會危害人體健康。

（2）鋁酸酯偶聯劑

鋁酸酯改性后的碳酸鈣能較好分散于有機介質中，力學性能得到改善，并且能提高產品的物理機械性能和加工性能，在填充塑料等制品中廣泛應用。

鋁酸酯具有顏色淺、無毒、熱分解的溫度高、價格低廉、包裝運輸方便等特點，但易水解、不能用于濕法表面改性工藝。

（3）硼酸酯偶聯劑

硼酸酯偶聯劑具有無毒，抑菌，偶聯功能優異，熱穩定性能好，良好的抗水解能力的優點。因此硼酸酯不僅用于干法表面改性工藝，也可用于濕法改性處理。

（4）脂肪酸（鹽）

利用脂肪酸改性后的納米碳酸鈣分散性變高、與有機高分子材料具有較好相容性。硬脂酸（鹽）是碳酸鈣改性最常用、十分廉價的表面改性劑。

（5）磷酸酯（鹽）和縮合磷脂

用磷酸酯改性的納米碳酸鈣應用于復合材料中，不僅能提高材料的加工性能和機械性能，而且能改善耐酸性和阻燃性。

采用縮合磷酸（偏磷酸或焦磷酸）對碳酸鈣粉體進行表面改性，可克服碳酸鈣粉體耐酸性差、表面pH高等缺點。改性后產品的pH為5.0～8.0（改性前pH為9.0～10.5），難溶于醋酸等弱酸中，耐酸性較好。

（6）季胺鹽類

季胺鹽類是一種陽離子表面活性劑，其分子的一端可以和高分子材料發生交聯，另一端帶正電可以在碳酸鈣表面發生靜電吸附。

（7）反應性單體、活性大分子

反應性單體中帶有不飽和鍵的小分子羧酸能與納米碳酸鈣作用，分散納米碳酸鈣；利用其反應性（不飽和鍵）可與聚烯烴發生接枝，形成接枝物，強化納米碳酸鈣與聚合物間的界面作用。

活性大分子中帶有的大分子能在碳酸鈣表面發生作用，改善其與有機高分子材料間的親和力和分散性。

（8）聚合物

常用的聚合物主要有低聚物、高聚物和水溶性高分子。聚合物可在碳酸鈣表面進行定向吸附，使碳酸鈣具有電荷特性并在碳酸鈣粒子表面形成物理或化學吸附層，增大粒子之間的距離，防止碳酸鈣粒子間粘連團聚，進而改善分散性。

（9）超分散劑

超分散劑主要由溶劑段和錨固段組成，其錨固段一般為極性基團，可以單點錨固或多點錨固的形式緊密結合于顆粒表面；溶劑段極性各異，分別適用于不同極性的聚合物改性。

（10）無機物

無機物改性劑能改善納米碳酸鈣的分散性與耐酸性，常用的主要有偏磷酸（鹽）、多聚磷酸（鹽）、鋁酸（鹽）、明礬、鋇鹽等。

無機電解質吸附在碳酸鈣粒子表面，一方面能提高其表面的電位值并誘發空間位阻效應，產生雙電層靜電排斥作用，因而能改善粒子的分散性；另一方面，由于空間位阻作用使得氫離子無法接觸到內層碳酸鈣粒子，顯著提高其耐酸性。

偶聯劑中的親水極性基團可以與碳酸鈣表面的羥基等多種基團反應，如與碳酸鈣表面的羥基，形成強大的化學鍵，另一些疏水的非極性基團則可以與高聚物發生化學反應，或物理纏繞，憑借于偶聯劑的單分子層的架橋作用，或將其包裹在碳酸鈣表面，使其顯示出親油性的特征，從而把礦物和生物體兩種差別極大的物質牢固地結合在一起。

目前，納米碳酸鈣表面改性所用的偶聯劑主要有硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑和鋁酸酯偶聯劑。

用聚合物對碳酸鈣表面改性的機理大致有兩種：其一是單體經聚合反應形成極薄的聚合物膜層并吸附于碳酸鈣表面；其二是將溶于某種溶劑的聚合物包覆于碳酸鈣表面，防止溶劑在表面優先形成包膜，通過物理、化學吸附在其表面形成保護層，防止碳酸鈣顆粒團聚結塊，改善其分散性能。

呈堿性的碳酸鈣容易在酸性環境中被分解，極大限制了它的應用，為擴大它的應用范圍，常用縮合磷酸、鋁酸鈉、二氧化硅等耐酸性無機物處理碳酸鈣。采用無機電解質分散劑吸附納米碳酸鈣，不僅可顯著增加納米碳酸鈣表面電位的絕對值，產生較強的靜電排斥效應，另外吸附層產生的較強空間排斥效應也會有助于后續與基體的相容。并且無機電解質通過增強填料表面對水的親和程度，從而有效地抑制填料在水中的團聚。

當使用兩種改性劑進行復配時，就要考慮兩種改性劑的復配比例，使它們對碳酸鈣進行包覆時產生協同作用，這樣才能達到最佳的改性效果。