炭酸カルシウムは親水性の無機化合物です。表面には多くの水酸基構造があり、有機ポリマーとの親和性は低いです。凝集しやすい性質を持ちますが、凝集体内では不均一に分散します。そのため、複合材料間の界面に欠陥が生じます。直接塗布しても効果は乏しく、充填量が増えるにつれてこれらの欠陥は顕著になります。充填量が多すぎると、製品が使用不能になる場合もあります。炭酸カルシウムの補強効果を高めるには、粉末を改質する必要があります。また、複合材料中の分散性も改善する必要があります。これにより、炭酸カルシウム充填複合材料の物性が向上します。さらに、さまざまな方法を用いて材料の用途を広げることで、機能性、補強性、充填性を兼ね備えた材料にすることができます。.
炭酸カルシウムを改質する方法は主に2つあります。1つは粒子サイズを変えることです。これにより粒子が微細または超微細になり、樹脂への分散性が向上します。この改質によって、プラスチック、ゴム、その他の製品の強度が増します。これは、粒子がこれらの製品を補強する役割を果たすためです。粒子は非常に小さく、比表面積が大きいのが特徴です。.
もう一つの方法は、粉末の表面を改良することです。これにより、粉末の表面が親水性から親油性に変化します。その結果、粉末と有機樹脂との相溶性が向上します。また、製品の加工性、物理的特性、機械的特性も改善されます。.
この方法は主に表面改質剤を用いて炭酸カルシウムの表面を活性化する。以下に、炭酸カルシウムに用いられる主な表面改質剤をいくつか紹介する。.
無機修飾剤
無機電解質分散剤はナノ炭酸カルシウムの表面に付着する。これには2つの効果がある。第一に、表面電位を高めることで強い静電反発力を生み出す。第二に、強い空間反発効果を誘発する。.
同時に、ナノ炭酸カルシウムの表面を水に対してより濡れやすくする効果もある。これにより、水中での凝集を防ぐことができる。.
無機物質は一般的に使用されます。主なものとしては、縮合リン酸、アルミン酸塩、無機塩類などがあります。また、酸、アルカリ、ミョウバン、無機イオンなども含まれています。ナノ炭酸カルシウムは耐酸性が低いため、使用範囲が限られています。リン酸は表面を改質することができ、完全で緻密なコーティングを形成します。このコーティングは疎水性効果を利用し、立体障害によって内部の水素イオンとの接触を防ぎます。これにより、炭酸カルシウムの分散性と活性化が向上し、耐酸性も向上し、用途が広がります。.
本製品のpH値は5.0～8.0です。これは処理前と比較して1.0～5.0低下しています。本製品は酢酸などの弱酸には溶けにくく、耐酸性に優れています。本製品は、プラスチック、ゴム、塗料、製紙、食品、歯磨き粉などの産業分野で使用できます。.
脂肪酸とその塩の修飾剤
脂肪酸またはステアリン酸改質剤は、炭酸カルシウム充填剤の伝統的な改質剤です。これらは安価で、炭酸カルシウム充填剤に対して良好な改質効果を発揮します。このタイプの改質剤は主に脂肪族、芳香族、またはアラルキルであり、ヒドロキシル基、アミノ基、またはチオール基を含んでいます。この脂肪酸分子の一方の末端は長鎖アルキル基であり、ポリマーとの結合性に優れています。もう一方の末端RCOOは、炭酸カルシウム表面のカルシウムイオンと結合することができます。この結合により活性コーティング層が形成され、炭酸カルシウム粒子の凝集を防ぎます。一般的に使用される脂肪酸はステアリン酸とその塩です。さらに、リグニン、樹脂酸、およびその塩も炭酸カルシウムの表面処理に使用できます。.
Jeaらは、ステアリン酸で修飾した炭酸カルシウムがポリプロピレンの流動性に及ぼす影響を研究した。その結果、ポリプロピレンの強度と靭性が大幅に向上することが示された。.
リン酸修飾剤
リン酸エステルは主に炭酸カルシウム粉末を改質します。これは、粉末表面のCa2+イオンと反応してエステルを形成することによって起こります。これにより、粉末表面にリン酸カルシウム塩が形成され、粉末の特性が変化します。リン酸エステル化合物は炭酸カルシウム粉末を改質することができ、複合材料の加工性や強度を大幅に向上させることができます。また、耐酸性や耐火性も向上させます。.
Yanらは、PVC/新規リン酸塩修飾ナノ炭酸カルシウム複合材料の微細構造と物性を研究した。その結果、修飾ナノ炭酸カルシウムによって強化されたPVC複合材料は、物性が大幅に向上することが示された。.
カップリング剤修飾剤
カップリング剤は両親媒性構造を持つ物質です。分子の一方の部分は親水性の極性基を持ち、粉末表面の官能基と反応して強い化学結合を形成します。もう一方の部分は非極性の疎水性基を持ち、有機ポリマーと反応または絡み合います。この作用により、性質が大きく異なる2つの材料である炭酸カルシウム粉末とポリマーマトリックスが強固に結合します。カップリング剤は、界面層を介して両者を結合させるのです。.
しかし、この方法には3つの問題点がある。第一に、カップリング剤の価格が高い。第二に、カップリング剤の種類によって、反応するポリマーが異なる。また、一部のポリマーに使用すると変色することがある。さらに、保管中や混合中に分解しやすいという欠点もある。.
炭酸カルシウム表面の処理には、数十種類の薬剤が用いられています。これらは国内外で広く使用されています。一般的に使用されるカップリング剤には、シラン系、チタン酸塩系、アルミン酸塩系などがあります。その他にも、複合カップリング剤などもあります。.
改質炭酸カルシウム用の4種類のカップリング剤の導入
シランカップリング剤
シランカップリング剤は早くから開発され、最も広く使用されているカップリング剤です。ほとんどのシランカップリング剤はヒドロキシル基が少なすぎるため、重炭酸カルシウムとの反応は困難、あるいは不可能です。樹脂とシランカップリング剤は、類似した官能基を持つ場合にのみ改質されます。He Yiらは、シランカップリング剤KH560を選択し、重炭酸カルシウムの表面改質に使用しました。改質した重炭酸カルシウムをエポキシ樹脂に添加することで、エポキシコーティングの熱安定性、相溶性、耐食性を向上させました。.
チタン酸塩カップリング剤
チタン酸カップリング剤は、米国ケンリッチ石油化学会社が開発した製品です。1970年代後半に製造されました。チタン酸カップリング剤は、分子構造に基づいて4種類に分類されます。モノアルコキシ型、モノアルコキシピロリン酸型、配位型、キレート型の4種類です。中でも、モノアルコキシ型は乾燥充填剤システムに適しています。これらのシステムには遊離水は含まれておらず、化学結合水または物理結合水のみが含まれています。他の3種類のチタン酸カップリング剤は、水分含有量に関する要件はありません。.
チタン酸カップリング剤は重質炭酸カルシウムに影響を与えます。ゴム産業では、ゴムと酸化防止剤の量を減らすために使用されています。また、製品の耐摩耗性と耐老化性も向上させます。カップリング剤はコーティング中の重質炭酸カルシウムに添加されます。分散性、流動性、熱安定性、機械的特性が向上します。製紙では、紙の強度と印刷性を向上させるために使用されます。効果的ではありますが、多くの欠点があります。酸化しやすく、変色しやすいです。低温で分解します。有機末端は分解または加水分解しやすいです。人や環境に有害です。これらの欠点により、その使用は大きく制限されます。.
アルミン酸塩カップリング剤
福建師範大学はアルミン酸塩系カップリング剤を開発しました。これは製品の強度と効率を向上させることができ、チタン酸塩系カップリング剤と同様の働きをします。アルミン酸塩系カップリング剤はチタン酸塩系カップリング剤に比べて、色が薄く、無毒で、室温で固体であり、熱安定性に優れているという利点があります。また、使い方も簡単です。同時に、アルミン酸塩系カップリング剤は潤滑作用と可塑化作用も付与します。そのため、重質炭酸カルシウムの改質において、シランやチタン酸塩よりも優れています。重質炭酸カルシウムはポリプロピレンの充填によく用いられますが、ポリ塩化ビニルや硬質ポリウレタンの充填にも用いられます。アルミン酸塩系カップリング剤を用いて改質すると、充填量が増加しても、得られる製品の特性は良好に保たれ、コストも削減できます。.
複合結合修飾剤
この改質剤はカップリング剤をベースとしており、他の改質剤、表面処理剤、架橋剤と組み合わせて使用されます。重質炭酸カルシウムの改質には、2種類以上の改質剤を同時に選択して使用します。これにより、各改質剤の利点が最大限に発揮され、重質炭酸カルシウムの改質効果が向上し、様々なニーズに幅広く対応できます。.
ポリマー改質剤
炭酸カルシウムにポリマーを添加すると、分散安定性が向上します。これは非水系において当てはまります。一般的に、ポリマーコーティングされた炭酸カルシウムには2種類あると考えられています。1つは、モノマーがまず粉末の表面に吸着し、その後重合を開始する方法です。これにより、表面に非常に薄いポリマー層が形成されます。もう1つは、ポリマーを良溶媒に溶解し、炭酸カルシウムを添加する方法です。ポリマーは炭酸カルシウムにゆっくりと吸着され、溶媒が排除されてコーティングが形成されます。これらのポリマーは、炭酸カルシウム粉末の表面に方向性を持って付着することができます。これにより、粉末に帯電特性が付与されます。ポリマーは、物理的および化学的吸着によって粉末の表面に層を形成します。この層は、粉末粒子の凝集を防ぎ、分散性を向上させます。同時に、より長い親油性炭素鎖を持ち、樹脂との相性も良好です。強い相互作用と良好な結合効果があります。.
PMMAにナノ炭酸カルシウムを添加すると、粒子サイズがナノメートルレベルまで小さくなり、製品の強度と靭性が向上します。アルコキシスチレン-スチレンスルホン酸共重合体で改質すると、分散性も大幅に改善されます。ポリエチレンワックスやランダムポリプロピレンなどのポリオレフィンオリゴマーは、ナノ炭酸カルシウムとよく結合し、良好な濡れ性を示します。これらのオリゴマーを一定の割合でナノ炭酸カルシウムと混合し、界面活性剤を添加することで、新しいマスターバッチ充填剤が得られます。これらの充填剤は、多くの分野で広く使用されています。.
EPIC Powder社は、炭酸カルシウム表面コーティング改質装置を4種類製造しています。
炭酸カルシウム粉末の処理技術は向上している。表面処理された炭酸カルシウムは、数多くの用途と優れた性能を持つ。そのため、各国は表面処理技術の開発競争を繰り広げている。主な目的は、新たな表面改質剤を開発・創出することである。これらの改質剤は、低毒性または無毒性であり、かつ顕著な効果を発揮する必要がある。これが炭酸カルシウム産業の主要な目標である。.