ナノ炭酸カルシウムの表面効果と親水性および疎油性のため、未修飾のナノ炭酸カルシウムは、有機ポリマーに適用した場合、分散性、親和性の低下、凝集しやすいなどの欠点があり、製品の品質に深刻な影響を与えます。これにより、2つの材料間の界面欠陥が生じ、ナノ炭酸カルシウムの充填量が多いほどこれらの欠点が顕著になり、過剰な充填は材料の本来の性能を損なう可能性さえあります。.
そのため、ナノ炭酸カルシウムは一般的にそのままでは使用されません。表面改質後のナノ炭酸カルシウム粒子は通常「軟質凝集体」を形成しますが、この「軟質凝集体」は、使用工程においてわずかな取り扱いで機械的せん断や超音波振動によって分解できます。したがって、ナノメートル炭酸カルシウムの表面改質は非常に重要です。.
ナノ炭酸カルシウム修飾剤の種類
ナノ炭酸カルシウムの改質方法は、一般的にグラフト重合反応とカップリング反応を採用する。改質剤は、構造や特性の違いに応じて、界面活性剤、カップリング剤、ポリマー、無機物質に分類できる。.
界面活性剤
現在、最も一般的に使用されている界面活性剤には、脂肪酸、リン酸塩、およびポリマー化合物が含まれる。.
脂肪酸修飾分子の一端にある長鎖アルキル基の構造はポリマーの構造と類似している。類似性原理によれば、ポリマーマトリックスとの相溶性が向上する。分子のもう一方の端にあるカルボキシル基などの極性基は、無機材料（ナノ炭酸カルシウムなど）の表面での物理的または化学的吸着に利用できる。.
リン酸エステルは主にリン酸イオンおよびカルシウムイオンと反応してリン酸を生成し、それが炭酸カルシウムの表面にコーティングされる。.
ナノメートルサイズの炭酸カルシウム表面の親油性および疎水性を向上させるために、改質が行われる。.
ポリマー化合物は、ナノ粒子の粒子サイズを制御することで表面状態を変化させ、改質される。スルホン酸基またはカルボン酸基を含むポリマー化合物は、主にイオン化可能な基として、改質剤として使用できる。.
カップリング剤
カップリング剤は、炭酸カルシウムと有機物という性質の大きく異なる2つの材料を、それぞれ炭酸カルシウム表面の官能基との化学反応または物理的結合によって組み合わせることで改質される。ナノメートルサイズの炭酸カルシウム表面上の分子架橋を介してカップリング剤が改質され、ナノメートルサイズの炭酸カルシウムと有機材料との相溶性が向上する。.
チタン酸塩系カップリング剤とアルミン酸塩系カップリング剤は、現在最も一般的に使用されているナノ炭酸カルシウム修飾剤である。.
ポリマーと無機物
ポリマーは、方向性吸着によって炭酸カルシウムの表面に物理的または化学的な吸着層を形成し、炭酸カルシウム粒子の凝集を防ぎ、分散性を向上させるための電荷特性を与える改質剤の一種である。.
改質剤として無機電解質をナノ炭酸カルシウムの表面に吸着させることで、ナノ炭酸カルシウムの表面電位の絶対値を大幅に増加させることができます。同時に、ナノ炭酸カルシウムの表面と水との濡れ性も向上し、水中でのナノ炭酸カルシウムの凝集をある程度抑制します。.
一般的に使用される無機電解質改質剤には、アルミン酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、ミョウバン、濃縮リン酸などがある。.
ナノ炭酸カルシウムの改質方法
ナノメートルサイズの炭酸カルシウムの表面改質に現在用いられている方法は、主に局所的な化学反応による改質、表面コーティングによる改質、マイクロエマルジョンによる改質、機械的改質、および高エネルギー表面改質である。.
局所的な化学反応修飾
局所化学反応による改質法は、主にナノメートルサイズの炭酸カルシウムの表面官能基と改質剤との化学反応によって改質目的を達成するものであり、乾式法と湿式法の2つの方法に分けられる。.
乾式改質：乾式改質とは、ナノ炭酸カルシウムを高速混練機に入れ、回転させながら加熱する方法です。一定の温度まで加熱されたら、表面改質剤を加えて混練改質を行います。乾式改質は物理的混合法を採用しており、工程は比較的単純です。しかし、ナノ炭酸カルシウムの粒子サイズは40～60nmと非常に小さいため、比表面積が大きく静電気を帯びやすく、凝集して大きな粒子になりやすいという欠点があります。凝集によってナノ炭酸カルシウム粒子の活性化度が低下し、分散性も悪くなるため、改質効果は理想的とは言えません。.
湿式改質：湿式改質とは、炭酸化の後期段階で表面改質剤をナノ炭酸カルシウム懸濁液に添加し、特定の温度および攪拌条件下で表面改質を完了させる方法です。湿式改質は炭酸カルシウム製造業者によって用いられ、そのプロセスフローは以下のとおりです。
ナノ炭酸カルシウムを湿式改質した後、乾燥、分散、包装を行う必要があります。分散工程においては、3種類の装置を分散機として使用することが推奨されます。これらはより効果的です。.
- 一定量のCa(OH)2懸濁液を調製し、加熱攪拌条件下で適切な量の結晶形制御剤を添加し、その後CO2とN2の混合ガスを導入して炭化させ、滴定法によって炭化速度を測定する。;
- ナノ炭酸カルシウム懸濁液に適切な量の表面改質剤を加え、表面改質剤がナノ炭酸カルシウムの表面を均一に覆うように十分に攪拌する。;
- 吸引ろ過、乾燥、粉砕、ふるい分けを経て、湿式改質ナノ炭酸カルシウム粒子を得る。.
表面コーティング改質方法
これは、表面改質剤とナノメートルサイズの炭酸カルシウム表面が、化学反応を起こさずにファンデルワールス力または物理的方法のみによって結合される改質方法を指します。.
この方法では、ナノ炭酸カルシウムを調製する際に溶液に界面活性剤を添加することができ、界面活性剤の存在により、この方法で製造された炭酸カルシウムの分散性が向上するため、同時調製と改質の目的を達成できます。.
マイクロエマルションの改質方法
マイクロエマルション改質法は、カプセル化改質法とも呼ばれる。この方法は、ナノ炭酸カルシウムの表面を他の物質の膜でコーティングすることにより、粒子表面の固有の特性を変化させるものである。.
この方法は表面コーティングによる改質方法と類似しているが、この方法で改質したナノ炭酸カルシウムの表面にコーティングされた膜は、表面コーティングによって改質されたものよりも均一である。.
メカノケミカル修飾法
メカノケミカル修飾法とは、強い機械的力を用いて粒子表面を意図的に活性化させ、分子格子を変化させ、その物理的・化学的構造および表面結晶構造を変化させ、有機物または無機物との反応性を向上させる修飾方法である。 .
この改質方法は、炭酸カルシウムの大きな粒子に対して非常に効果的です。ナノスケールの炭酸カルシウムの場合、粒子サイズが小さいため、機械的粉砕や研磨によるメカノケミカル改質方法では優れた改質効果を発揮できません。.
ナノ粒子のナノ効果を最大限に活用し、ナノ粒子の表面特性を改善し、マトリックス中におけるナノ粒子の分散性と適合性を向上させ、優れた性能を持つ複合材料を製造することで、材料の応用分野が拡大するだろう。.
ナノ炭酸カルシウムは、炭酸カルシウム分野におけるハイエンド製品です。我が国のナノ炭酸カルシウムの品質向上に伴い、コストは継続的に低下しています。現在では、輸入品の代替となるだけでなく、国際市場への輸出も開始されています。国内産ナノ炭酸カルシウムの市場展望は、今後ますます有望になると確信しています。.