Calciumcarbonat ist eine wasserliebende anorganische Verbindung mit zahlreichen Hydroxylgruppen an der Oberfläche. Es weist eine geringe Affinität zu organischen Polymeren auf. Es bildet leicht Aggregate, verteilt sich darin jedoch ungleichmäßig. Dies führt zu Defekten an den Grenzflächen zwischen den Verbundwerkstoffen. Eine direkte Anwendung ist daher unbefriedigend. Diese Mängel treten mit zunehmender Füllmenge deutlicher hervor. Eine zu hohe Füllmenge kann das Produkt sogar unbrauchbar machen. Um die verstärkende Wirkung von Calciumcarbonat zu verbessern, muss das Pulver modifiziert und seine Dispersion in den Verbundwerkstoffen optimiert werden. Dies verbessert die physikalischen Eigenschaften der mit Calciumcarbonat gefüllten Verbundwerkstoffe. Durch den Einsatz verschiedener Methoden lassen sich die Anwendungsmöglichkeiten des Materials erweitern. So wird es zu einem funktionalen, verstärkenden und füllenden Material.
Es gibt zwei Hauptmethoden zur Modifizierung von Calciumcarbonat. Die eine besteht in der Veränderung der Partikelgröße. Dadurch werden die Partikel entweder fein oder ultrafein. Dies verbessert ihre Dispergierbarkeit im Harz. Diese Veränderung erhöht die Festigkeit von Kunststoffen, Gummi und anderen Produkten. Die Partikel verstärken diese Eigenschaften, indem sie die Materialien stabilisieren. Die Partikel sind winzig und weisen eine große spezifische Oberfläche auf.
Die andere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche des Pulvers zu verbessern. Dadurch wird es von hydrophil zu lipophil. Dies erhöht die Kompatibilität des Pulvers mit organischen Harzen. Dies verbessert auch die Verarbeitung sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Produkts.
Bei dieser Methode werden hauptsächlich Oberflächenmodifikatoren verwendet, um die Oberfläche von Calciumcarbonat zu aktivieren. Im Folgenden werden einige wichtige Oberflächenmodifikatoren für Calciumcarbonat vorgestellt.
Anorganischer Modifikator
Anorganische Elektrolytdispergiermittel haften an der Oberfläche von Nanokalziumkarbonat. Sie können zwei Dinge tun. Erstens erzeugen sie eine starke elektrostatische Abstoßung, indem sie das Oberflächenpotential erhöhen. Zweitens induzieren sie einen starken räumlichen Abstoßungseffekt.
Gleichzeitig kann dadurch die Oberfläche des Nano-Calciumcarbonats für Wasser besser benetzbar gemacht werden. Dies verhindert, dass es im Wasser verklumpt.
Anorganische Substanzen werden häufig verwendet. Dazu gehören hauptsächlich kondensierte Phosphorsäure, Aluminate und anorganische Salze. Sie enthalten außerdem Säuren, Laugen, Alaun und anorganische Ionen. Nano-Calciumcarbonat weist eine geringe Säurebeständigkeit auf, was seinen Anwendungsbereich einschränkt. Phosphorsäure kann seine Oberfläche modifizieren und so eine vollständige und dichte Beschichtung bilden. Diese Beschichtung nutzt den hydrophoben Effekt und verhindert durch sterische Hinderung den Kontakt mit den inneren Wasserstoffionen. Dadurch werden die Dispergierung und Aktivierung des Calciumcarbonats verbessert, was wiederum seine Säurebeständigkeit erhöht und sein Anwendungsspektrum erweitert.
Der pH-Wert des Produkts liegt zwischen 5,0 und 8,0. Dies ist ein Rückgang von 1,0 bis 5,0 gegenüber dem Wert vor der Behandlung. Das Produkt löst sich nur schwer in schwachen Säuren wie Essigsäure. Es ist gut säurebeständig. Dieses Produkt kann in der Industrie eingesetzt werden. Dazu gehören Kunststoffe, Gummi, Beschichtungen, Papierherstellung, Lebensmittel und Zahnpasta.
Fettsäuren und ihre Salze Modifikatoren
Fettsäure- oder Stearatmodifikatoren sind traditionelle Modifikatoren für Füllstoffe aus Calciumcarbonat. Sie sind kostengünstig und haben eine gute modifizierende Wirkung auf Füllstoffe aus Calciumcarbonat. Dieser Modifikatortyp ist hauptsächlich aliphatisch, aromatisch oder Aralkyl. Er enthält Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppen. Ein Ende dieses Fettsäuremoleküls ist eine langkettige Alkylgruppe. Sie lässt sich gut mit Polymeren verbinden. Das andere Ende von RCOO kann sich mit Calciumionen auf der Oberfläche von Calciumcarbonat verbinden. Diese Bindung bildet eine aktive Beschichtungsschicht. Sie verhindert, dass Calciumcarbonatpartikel verklumpen. Die am häufigsten verwendeten Fettsäuren sind Stearinsäure und ihre Salze. Darüber hinaus können auch Lignin, Harzsäure und ihre Salze zur Oberflächenbehandlung von Calciumcarbonat verwendet werden.
Jea et al. haben die Wirkung von mit Stearinsäure modifiziertem Calciumcarbonat auf den Fluss von Polypropylen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass es die Festigkeit und Zähigkeit von Polypropylen erheblich verbesserte.
Phosphatmodifikatoren
Phosphatester verändern hauptsächlich Calciumcarbonatpulver. Dies geschieht durch die Reaktion von Ca2+ mit der Oberfläche des Pulvers unter Bildung eines Esters. Dadurch bildet sich ein Calciumphosphatsalz auf der Oberfläche des Pulvers. Dadurch werden die Eigenschaften des Pulvers verändert. Phosphatesterverbindungen können Calciumcarbonatpulver verändern. Dies kann die Verarbeitbarkeit und Festigkeit von Verbundwerkstoffen erheblich verbessern. Es verbessert auch die Säurebeständigkeit und den Brandschutz.
Yan et al. untersuchten die Mikrostruktur und die physikalischen Eigenschaften von PVC/neuen, phosphatmodifizierten Nano-Calciumcarbonat-Verbundstoffen. Die Ergebnisse zeigten, dass das modifizierte Nano-Calciumcarbonat PVC-Verbundstoffe stark härtete. Es verbesserte ihre physikalischen Eigenschaften.
Haftvermittler-Modifikator
Das Haftvermittler ist eine Substanz mit amphiphiler Struktur. Ein Teil des Moleküls besitzt hydrophile polare Gruppen, die mit funktionellen Gruppen auf der Pulveroberfläche reagieren und starke chemische Bindungen ausbilden. Der andere Teil weist unpolare hydrophobe Gruppen auf, die mit organischen Polymeren reagieren oder sich mit ihnen verhaken können. Durch diese Reaktion werden das Calciumcarbonatpulver und die Polymermatrix fest miteinander verbunden. Es handelt sich um zwei Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften, die über die Grenzschicht miteinander verbunden werden.
Allerdings bringt diese Methode drei Probleme mit sich. Erstens sind die Kupplungsmittel teuer. Zweitens sind verschiedene Kupplungsmittel selektiv für verschiedene Polymere. Außerdem können sie sich bei Verwendung in einigen Polymeren verfärben. Außerdem neigen sie dazu, sich während der Lagerung oder beim Mischen zu zersetzen.
Zur Behandlung von Calciumcarbonatoberflächen werden Dutzende von Mitteln verwendet. Sie werden sowohl im In- als auch im Ausland eingesetzt. Häufig verwendete Kupplungsmittel sind Silan, Titanat und Aluminat. Es gibt auch zusammengesetzte Kupplungsmittel usw.
Einführung von 4 Kopplungsmitteln für modifiziertes Calciumcarbonat
Ein Silan-Haftvermittler
Silan-Haftvermittler wurden schon früh entwickelt und sind die am häufigsten verwendeten Haftvermittler. Die meisten Silan-Haftvermittler haben zu wenige Hydroxylgruppen. Daher ist es schwierig oder sogar unmöglich, mit schwerem Calciumcarbonat zu reagieren. Das Harz und der Silan-Haftvermittler verändern sich nur, wenn sie ähnliche Gruppen aufweisen. He Yi et al. entschieden sich für den Silan-Haftvermittler KH560. Sie verwendeten ihn, um die Oberfläche von schwerem Calciumcarbonat zu modifizieren. Sie gaben das modifizierte schwere Calciumcarbonat in Epoxidharz. Dies verbesserte die thermische Stabilität, Kompatibilität und Korrosionsbeständigkeit der Epoxidbeschichtung.
Titanat-Haftvermittler
Das Titanat-Kopplungsmittel ist ein Produkt. Es wurde von der Kenrich Petrochemical Company in den USA entwickelt. Es wurde in den späten 1970er Jahren hergestellt. Titanat-Kopplungsmittel werden basierend auf ihrer Molekülstruktur in Typen unterteilt. Es gibt vier Typen: Monoalkoxy, Monoalkoxypyrophosphat, Koordination und Chelat. Unter ihnen ist der Monoalkoxy-Typ gut für trockene Füllstoffsysteme geeignet. Diese Systeme enthalten kein freies Wasser. Sie haben nur chemisch oder physikalisch gebundenes Wasser. Die anderen drei Typen von Titanat-Kopplungsmitteln haben keine Anforderungen an den Wassergehalt.
Titanat-Kopplungsmittel wirken auf schweres Calciumcarbonat. Die Gummiindustrie verwendet es, um die Menge an Gummi und Antioxidantien zu reduzieren. Es verbessert auch die Verschleißfestigkeit und Alterungsbeständigkeit des Produkts. Das Kopplungsmittel wird dem schweren Calciumcarbonat in der Beschichtung zugesetzt. Es verbessert die Dispergierbarkeit, Fließfähigkeit, Wärmestabilität und mechanischen Eigenschaften. Es wird bei der Papierherstellung verwendet, um die Papierfestigkeit und den Druck zu verbessern. Obwohl es wirksam ist, hat es viele Nachteile. Es oxidiert und verfärbt sich leicht. Es zersetzt sich bei niedrigen Temperaturen. Sein organisches Ende ist anfällig für Zerfall oder Hydrolyse. Es ist schädlich für Mensch und Umwelt. Diese Mängel schränken seine Verwendung stark ein.
Aluminat-Haftvermittler
Die Fujian Normal University hat ein Aluminat-Kopplungsmittel entwickelt. Es kann die Festigkeit und Effizienz eines Produkts verbessern. Es funktioniert wie ein Titanat-Kopplungsmittel. Das Aluminat-Kopplungsmittel hat gegenüber dem Titanat-Kopplungsmittel Vorteile. Es hat eine helle Farbe, ist ungiftig, bei Raumtemperatur fest und thermisch stabil. Außerdem ist es einfach zu verwenden. Gleichzeitig hat das Aluminat-Kopplungsmittel auch eine schmierende und plastifizierende Wirkung. Daher modifiziert es schweres Calciumcarbonat besser als Silan und Titanat. Schweres Calciumcarbonat wird häufig zum Füllen von Polypropylen verwendet. Es wird auch zum Füllen von Polyvinylchlorid und hartem Polyurethan verwendet. Zur Modifizierung wird ein Aluminat-Kopplungsmittel verwendet. Die Füllmenge hat sich erhöht. Die resultierenden Produkte haben jedoch immer noch gute Eigenschaften. Außerdem sind sie kostengünstiger.
Zusammengesetzter Kopplungsmodifikator
Der Modifikator basiert auf einem Kopplungsmittel. Er wird mit anderen Modifikatoren, Oberflächenmitteln und Vernetzungsmitteln kombiniert. Sie verwenden ihn, um schweres Calciumcarbonat zu modifizieren. Zwei oder mehr Modifikatoren werden gleichzeitig ausgewählt, um das schwere Calciumcarbonat zu modifizieren. Dadurch kommen die Vorteile jedes Modifikators zum Vorschein. Die Modifikationswirkung von schwerem Calciumcarbonat ist besser. Es kann verschiedene Anforderungen besser erfüllen.
Polymermodifikatoren
Die Zugabe von Polymer zu Calciumcarbonat kann dessen Dispersionsstabilität verbessern. Dies gilt für nicht-wässrige Systeme. Im Allgemeinen wird angenommen, dass es zwei Arten von polymerbeschichtetem Calciumcarbonat gibt. Bei einer Art adsorbiert das Monomer zuerst auf der Oberfläche des Pulvers. Dann beginnt es zu polymerisieren. Es bildet eine sehr dünne Polymerschicht auf der Oberfläche. Bei der anderen Art wird das Polymer in einem guten Lösungsmittel gelöst. Dann wird Calciumcarbonat hinzugefügt. Das Polymer wird langsam auf dem Calciumcarbonat adsorbiert. Dadurch wird das Lösungsmittel ausgeschlossen und es bildet sich eine Beschichtung. Diese Polymere können gerichtet an der Oberfläche von Calciumcarbonatpulver haften. Dies verleiht dem Pulver eine geladene Eigenschaft. Polymere bilden eine Schicht auf der Oberfläche des Pulvers. Sie tun dies durch physikalische und chemische Adsorption. Diese Schicht verhindert, dass die Pulverpartikel verklumpen, und verbessert ihre Dispergierbarkeit. Gleichzeitig hat es eine längere lipophile Kohlenstoffkette. Es funktioniert auch gut mit Harz. Es hat eine starke Wechselwirkung und einen guten Kopplungseffekt.
Die Zugabe von Nano-Calciumcarbonat zu PMMA reduziert dessen Partikelgröße auf den Nanometerbereich. Dadurch wird das Produkt zudem fester und zäher. Durch Modifizierung mit Alkoxystyrol-Styrolsulfonsäure-Copolymer wird die Dispergierbarkeit ebenfalls deutlich verbessert. Polyolefin-Oligomere wie Polyethylenwachs und statistisches Polypropylen binden gut an Nano-Calciumcarbonat und weisen gute Benetzungseigenschaften auf. Sie können in einem bestimmten Verhältnis mit Nano-Calciumcarbonat gemischt und anschließend mit Tensiden versetzt werden. So entstehen neue Masterbatch-Füllstoffe, die in vielen Bereichen breite Anwendung finden.
EPIC Powder produziert 4 Arten von Geräten zur Modifizierung von Oberflächenbeschichtungen aus Kalziumkarbonat
Die Behandlung von Calciumcarbonatpulver hat sich verbessert. Oberflächenbehandeltes Calciumcarbonat hat zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten und eine überlegene Leistung. Daher konkurrieren Länder um die Entwicklung von Behandlungen dafür. Das Hauptziel besteht darin, neue Oberflächenmodifikatoren zu entwickeln und herzustellen. Sie sollten wenig oder gar nicht giftig sein und erhebliche Auswirkungen haben. Dies ist das Hauptziel der Calciumcarbonatindustrie.