El carbonato de calcio es un compuesto inorgánico hidrófilo. Posee numerosas estructuras hidroxilo en su superficie y tiene poca afinidad por los polímeros orgánicos. Si bien forma agregados con facilidad, su dispersión dentro de ellos es desigual, lo que genera defectos en las interfaces entre los materiales compuestos. Su aplicación directa produce resultados deficientes. Estos defectos se hacen más evidentes a medida que aumenta la cantidad de relleno, pudiendo incluso inutilizarse el producto. Para potenciar el efecto de refuerzo del carbonato de calcio, es necesario modificar el polvo y mejorar su dispersión en los compuestos. Esto optimizará las propiedades físicas de los compuestos reforzados con carbonato de calcio. Se deben emplear diferentes métodos para ampliar las aplicaciones del material, convirtiéndolo así en un material funcional, de refuerzo y de relleno.
Existen dos formas principales de modificar el carbonato de calcio. Una consiste en cambiar el tamaño de las partículas, haciéndolas finas o ultrafinas, lo que mejora su dispersibilidad en la resina. Este cambio fortalece los plásticos, el caucho y otros productos, ya que las partículas los refuerzan. Las partículas son diminutas y poseen una gran superficie específica.
Otra opción es mejorar la superficie del polvo, transformándolo de hidrófilo a lipofílico. Esto aumenta su compatibilidad con resinas orgánicas y, además, mejora su procesamiento y sus propiedades físicas y mecánicas.
Este método utiliza principalmente modificadores de superficie para activar la superficie del carbonato de calcio. A continuación, se presentan algunos de los principales modificadores de superficie para el carbonato de calcio.
modificador inorgánico
Los dispersantes electrolíticos inorgánicos se adhieren a la superficie del nanocarbonato de calcio. Pueden realizar dos funciones. Primero, crean una fuerte repulsión electrostática al aumentar el potencial superficial. Segundo, inducen un fuerte efecto de repulsión espacial.
Al mismo tiempo, también puede hacer que la superficie del nanocarbonato de calcio sea más humectable con el agua. Esto evita que se aglutine en el agua.
Las sustancias inorgánicas se utilizan comúnmente. Principalmente incluyen ácido fosfórico condensado, aluminato y sales inorgánicas. También contienen ácidos, álcalis, alumbre e iones inorgánicos. El nanocarbonato de calcio tiene poca resistencia a los ácidos, lo que limita su ámbito de uso. El ácido fosfórico puede modificar su superficie, formando un recubrimiento completo y denso. Este recubrimiento se basa en el efecto hidrofóbico y en un impedimento estérico que impide el contacto con los iones de hidrógeno internos. Esto mejora la dispersión y activación del carbonato de calcio, lo que a su vez aumenta su resistencia a los ácidos y amplía sus aplicaciones.
El pH del producto oscila entre 5,0 y 8,0, lo que supone una disminución de entre 1,0 y 5,0 con respecto al valor previo al tratamiento. El producto es difícil de disolver en ácidos débiles como el ácido acético y presenta una buena resistencia a los ácidos. Este producto puede utilizarse en diversas industrias, como la de plásticos, caucho, recubrimientos, papel, alimentos y pasta de dientes.
Ácidos grasos y sus sales modificadoras
Los modificadores de ácidos grasos o estearato son modificadores tradicionales de rellenos de carbonato de calcio. Son económicos y ofrecen buenos resultados en la modificación de estos rellenos. Este tipo de modificador es principalmente alifático, aromático o aralquilo. Contiene grupos hidroxilo, amino o tiol. Un extremo de la molécula de ácido graso es un grupo alquilo de cadena larga, que se combina bien con polímeros. El otro extremo del RCOO se une a los iones de calcio en la superficie del carbonato de calcio, formando una capa de recubrimiento activa que evita la aglomeración de las partículas. Los ácidos grasos más utilizados son el ácido esteárico y sus sales. Además, la lignina, el ácido resínico y sus sales también pueden emplearse para el tratamiento superficial del carbonato de calcio.
Jea et al. estudiaron el efecto del carbonato de calcio modificado con ácido esteárico sobre la fluidez del polipropileno. Los resultados mostraron que mejoró notablemente la resistencia y la tenacidad del polipropileno.
Modificadores de fosfato
El éster de fosfato modifica principalmente el polvo de carbonato de calcio. Esto se logra mediante la reacción del Ca²⁺ con la superficie del polvo, formando un éster. Este éster genera una sal de fosfato de calcio en la superficie del polvo, lo que altera sus propiedades. Los compuestos de éster de fosfato pueden modificar el polvo de carbonato de calcio, mejorando significativamente la procesabilidad y la resistencia de los materiales compuestos. Además, mejoran la resistencia a los ácidos y la seguridad contra incendios.
Yan et al. estudiaron la microestructura y las propiedades físicas de compuestos de PVC/carbonato de calcio nanoestructurado modificado con fosfato. Los resultados mostraron que el carbonato de calcio nanoestructurado modificado mejoró considerablemente las propiedades físicas de los compuestos de PVC.
Modificador del agente de acoplamiento
El agente de acoplamiento es una sustancia con estructura anfifílica. Una parte de la molécula posee grupos polares hidrófilos que pueden reaccionar con los grupos funcionales de la superficie del polvo, formando fuertes enlaces químicos. La otra parte posee grupos hidrófobos no polares que pueden reaccionar o unirse a polímeros orgánicos. Esta unión se produce a través de la capa interfacial, combinando firmemente el polvo de carbonato de calcio con la matriz polimérica. Estos dos materiales, con propiedades muy diferentes, se unen mediante dicha capa.
Sin embargo, este método presenta tres problemas. Primero, el precio de los agentes de acoplamiento es elevado. Segundo, cada uno es selectivo para un polímero diferente. Además, al utilizarse con algunos polímeros, pueden decolorarse. También son propensos a degradarse durante el almacenamiento o la mezcla.
Se utilizan decenas de agentes para tratar superficies de carbonato de calcio, tanto a nivel nacional como internacional. Entre los agentes de acoplamiento más comunes se encuentran el silano, el titanato y el aluminato. También existen agentes de acoplamiento compuestos, entre otros.
Introducción de 4 agentes de acoplamiento para carbonato de calcio modificado
Un agente de acoplamiento de silano
El agente de acoplamiento de silano se desarrolló tempranamente y es el tipo de agente de acoplamiento más utilizado. La mayoría de los agentes de acoplamiento de silano tienen muy pocos grupos hidroxilo, por lo que es difícil, o incluso imposible, que reaccionen con el carbonato de calcio pesado. La resina y el agente de acoplamiento de silano se modifican solo cuando tienen grupos similares. He Yi et al. eligieron el agente de acoplamiento de silano KH560 y lo utilizaron para modificar la superficie del carbonato de calcio pesado. Luego, incorporaron el carbonato de calcio pesado modificado a la resina epoxi, lo que mejoró la estabilidad térmica, la compatibilidad y la resistencia a la corrosión del recubrimiento epoxi.
agente de acoplamiento de titanato
El agente de acoplamiento de titanato es un producto desarrollado por la empresa petroquímica Kenrich en Estados Unidos a finales de la década de 1970. Los agentes de acoplamiento de titanato se clasifican según su estructura molecular en cuatro tipos: monoalcoxi, monoalcoxipirofosfato, coordinación y quelato. El tipo monoalcoxi es ideal para sistemas de relleno seco, ya que no contiene agua libre, sino únicamente agua química o físicamente ligada. Los otros tres tipos de agentes de acoplamiento de titanato no requieren un contenido específico de agua.
Los agentes de acoplamiento de titanato afectan al carbonato de calcio pesado. La industria del caucho lo utiliza para reducir la cantidad de caucho y antioxidantes. También mejora la resistencia al desgaste y el rendimiento antienvejecimiento del producto. El agente de acoplamiento se añade al carbonato de calcio pesado en el recubrimiento. Mejora la dispersibilidad, la fluidez, la estabilidad térmica y las propiedades mecánicas. Se utiliza en la fabricación de papel para mejorar la resistencia y la impresión del papel. Aunque es eficaz, tiene muchos inconvenientes. Se oxida y decolora fácilmente. Se descompone a bajas temperaturas. Su extremo orgánico es propenso a la degradación o hidrólisis. Es perjudicial para las personas y el medio ambiente. Estas deficiencias limitan considerablemente su uso.
agente de acoplamiento de aluminato
La Universidad Normal de Fujian creó un agente de acoplamiento de aluminato. Este agente mejora la resistencia y la eficiencia de los productos y funciona de manera similar al agente de acoplamiento de titanato. El agente de acoplamiento de aluminato presenta ventajas sobre el de titanato: es de color claro, no tóxico, sólido a temperatura ambiente y térmicamente estable. Además, es fácil de usar. Asimismo, el agente de acoplamiento de aluminato proporciona efectos lubricantes y plastificantes. Por lo tanto, modifica el carbonato de calcio pesado mejor que el silano y el titanato. El carbonato de calcio pesado se utiliza comúnmente para rellenar polipropileno, cloruro de polivinilo y poliuretano duro. Al utilizar un agente de acoplamiento de aluminato para modificarlo, se incrementa la cantidad de relleno, pero los productos resultantes conservan buenas propiedades y, además, se reduce el costo.
Modificador de acoplamiento compuesto
El modificador se basa en un agente de acoplamiento. Se combina con otros modificadores, agentes superficiales y agentes reticulantes. Se utiliza para modificar el carbonato de calcio pesado. Se seleccionan dos o más modificadores simultáneamente para modificar el carbonato de calcio pesado. Esto permite que se destaquen las ventajas de cada modificador. El efecto de modificación del carbonato de calcio pesado es mejor. Puede satisfacer mejor diversas necesidades.
Modificadores de polímeros
La adición de polímero al carbonato de calcio puede mejorar su estabilidad de dispersión. Esto es cierto en sistemas no acuosos. Generalmente se cree que existen dos tipos de recubrimiento de carbonato de calcio con polímero. En un tipo, el monómero se adsorbe primero sobre la superficie del polvo y luego comienza a polimerizarse, formando una capa de polímero muy delgada. El otro tipo consiste en disolver el polímero en un buen disolvente y luego añadir carbonato de calcio. El polímero se adsorbe lentamente sobre el carbonato de calcio, lo que excluye el disolvente y forma un recubrimiento. Estos polímeros pueden adherirse a la superficie del polvo de carbonato de calcio de forma direccional, lo que le confiere al polvo una característica cargada. Los polímeros forman una capa sobre la superficie del polvo mediante adsorción física y química. Esta capa evita que las partículas de polvo se aglomeren y mejora su dispersibilidad. Al mismo tiempo, posee una cadena de carbono lipofílica más larga y también funciona bien con resinas, presentando una fuerte interacción y un buen efecto de acoplamiento.
La adición de carbonato de calcio nanométrico al PMMA reduce el tamaño de sus partículas al nivel nanométrico. Además, aumenta la resistencia y la tenacidad del producto. Al modificarlo con un copolímero de ácido alcoxiestireno-estirenosulfónico, la dispersibilidad también mejora significativamente. Los oligómeros de poliolefina, como la cera de polietileno y el polipropileno aleatorio, se adhieren bien al carbonato de calcio nanométrico. Presentan buenos efectos humectantes. Podemos mezclarlos con carbonato de calcio nanométrico en una proporción determinada. Posteriormente, podemos añadir tensioactivos. Este proceso los convierte en nuevos rellenos para masterbatch. Estos rellenos se utilizan ampliamente en diversos campos.
EPIC Powder produce 4 tipos de equipos para la modificación de recubrimientos superficiales de carbonato de calcio.
El tratamiento del polvo de carbonato de calcio ha mejorado. El carbonato de calcio con tratamiento superficial tiene numerosos usos y un rendimiento superior. Por ello, varios países compiten por desarrollar tratamientos para este material. El objetivo principal es desarrollar y crear nuevos modificadores de superficie. Estos deben ser de baja toxicidad o no tóxicos y tener efectos significativos. Este es el objetivo primordial de la industria del carbonato de calcio.