1 引言
碳酸鈣具有價格低廉、無毒、無刺激性、色澤好、白度高等優點，廣泛應用于橡膠、塑料、造紙、涂料、油墨、醫藥等行業。但碳酸鈣填充于各種聚合物中時會有明顯的缺點：一是表面親水疏油，在聚合物內部分散性差；二是碳酸鈣和高聚物本體結合力差，僅能起增容作用，當使用高比例碳酸鈣填充時，會導致聚合物材料性能急劇下降，以致于制品難以被加工和使用。為了改善碳酸鈣與聚合物的相容性和分散性，增強其親和力，必須對碳酸鈣進行表面改性。
實驗采用硬脂酸鈉作為表面改性劑對碳酸鈣進行改性處理，研究漿料濃度、改性劑用量、改性溫度及改性時間對碳酸鈣粉體活化指數、吸油值、沉降體積及黏度的影響，從而得到最佳的表面改性工藝條件。
2 實驗部分
2.1 原料與儀器
碳酸鈣（分析純）；硬脂酸鈉（分析純）；無水乙醇（分析純）；鄰苯二甲酸二壬酯（分析純）；液體石蠟（化學純）；去離子水（自制）。JJ-1 精密定時電動攪拌器；電子分析天平；TENSORH37 紅外光譜儀；GZX-9070MBE 電熱恒溫鼓風干燥箱；落球式粘度計；ZH-1B 玻璃恒溫水??；SHB-IVA 循環水式多用真空泵；標準檢驗篩。
2.2 表面改性方法
將一定質量的碳酸鈣加入到蒸餾水中，配制成一定質量分數的漿料置于三頸燒瓶中，用攪拌器攪拌，達到一定溫度后，加入一定量的表面改性劑，改性一段時間后取出樣品，抽濾，并在110℃下將其烘干。研磨，過180 目標準篩，即得到改性的碳酸鈣粉體。
2.3 表征及性能測試
2.3.1 沉降體積的測定
對于粒子潤濕性好的液體，粒子在其中很好的分散，不易粘結聚集，沉降慢；反之，粒子分散性差，沉降快。因此，通過沉降體積測定，能定性說明碳酸鈣的改性效果。
沉降體積的測試方法：稱取0.5 g 碳酸鈣粉體置于10 mL 量筒中，加入適量液體石蠟，待粉體被液體石蠟完全浸濕后，再加液體石蠟至刻度，充分振蕩3 min，使碳酸鈣粉體在液體石蠟中均勻分散，靜置1 h，讀取固體的體積。用下式計算沉降體積：
2.3.2 活化指數的測定
未改性碳酸鈣的表面為強極性，在水中自然沉降。改性碳酸鈣具有較強的疏水性，在水中由于巨大的表面張力，使其在水面上漂浮不沉，因此活化指數可以反映出碳酸鈣粉體的改性效果。
活化指數的測定方法：用量筒量取100 mL 水加入125 mL 分液漏斗中，取改性后的碳酸鈣粉體1 g 加入其中，上下搖動，靜置0.5 h，然后打開活塞放出沉降于底部的樣品，烘干，稱重，用原稱取的質量1 g 減去該沉降樣品的質量，即可得到漂浮部分的質量。用下式計算活化指數
2.3.3 吸油值的測定
稱取0.5 g 改性碳酸鈣粉體，滴加鄰苯二甲酸二壬酯，用調墨刀研壓使之成團不散。用下式計算吸油值：
2.3.4 黏度的測定
稱取1 g 改性碳酸鈣粉體分散到35 mL 液體石蠟中，室溫條件下加入到落球粘度計樣品管中，選擇合適比重的球置于管中，讓球下落記錄球由上刻度線落至下刻度線所需時間，用下式計算黏度：
η=Kt(ρ-ρ0)
其中η 為黏度（mPa·s）；K 為不同球的儀器常數；ρ 為球的密度（g·mL-1）；ρ0 為液體石蠟的密度（g·mL-1）；t為球下落時間（s）。
2.3.5 紅外光譜分析
取1-2 mg 樣品粉體和100 mg 左右干燥的溴化鉀粉體一起放入瑪瑙研缽中研細，混均，然后倒入專用的真空壓片器中，一邊抽真空，一邊加壓，制成透明的薄圓片。將此片放入儀器的樣品架上，進行紅外光譜的測量。樣品在TENSORH37 紅外光譜儀作漫反射投射譜，波數的范圍是4 000-400 cm-1，掃描速度10 Hz。
3 結果與討論
3.1 正交實驗
3.1.1 正交實驗方案
采用四因素三水平正交表進行實驗，考察漿料濃度、硬脂酸鈉用量、改性溫度和改性時間等因素對碳酸鈣表面改性的影響。L9(34)正交實驗方案及結果如表1所示。
3.1.2 正交實驗結果分析
3.1.2.1 沉降體積分析結果
改性后的碳酸鈣沉降體積越大表明改性效果越好。由表2 正交實驗結果分析可知，漿料濃度7%（質量分數）、硬脂酸鈉用量0.5%（質量分數）、改性溫度70℃和改性時間60 min 對應的沉降體積最大。這說明這些條件即為較佳操作工藝條件。
3.1.2.2 活化指數分析結果
改性后的碳酸鈣活化指數越高表明改性效果越好。由表3 可知，漿料濃度7%（質量分數）、硬脂酸鈉用量0.5%（質量分數）、改性溫度90℃和改性時間30 min對應的活化指數最高。這說明這些條件即為較佳操作工藝條件。
3.1.2.3 吸油值分析結果
改性后的碳酸鈣吸油值越小表明改性效果越好。由表4 可知，漿料濃度9%（質量分數）、硬脂酸鈉用量1.5%（質量分數）、改性溫度70℃和改性時間30 min對應的吸油值最小。這說明這些條件即為較佳操作工藝條件。
3.1.2.4 黏度分析結果
改性后的碳酸鈣黏度越小表明改性效果越好。由表5 可知，漿料濃度7%（質量分數）、硬脂酸鈉用量1.5%（質量分數）、改性溫度為90℃和改性時間60 min 對應的黏度最小。這說明這些條件即為較佳操作工藝條件。由表2、表3、表4、表5 得出四組較佳的操作工藝條件，故有必要對著四組條件進行進一步的討論。
3.2 最佳工藝條件
由表6 可知，沉降體積最大的是1，活化指數最高的是2，吸油值最小的是1，黏度最小的是4?？紤]到節省工業生產時間，選取漿料濃度7%，硬脂酸鈉用量0.5%，改性溫度90℃及改性時間30 min 作為硬脂酸鈉改性碳酸鈣的最佳操作工藝條件，這時沉降體積較高，活化指數最高，吸油值較小，黏度較小。
3.3 紅外光譜分析
對比改性前后碳酸鈣的紅外譜圖（圖1）可以看出：改性后碳酸鈣在波數2 873 cm-1 和2 918 cm-1 處出現了-CH3 和-CH2 伸縮振動吸收峰，這些表明硬脂酸鈉已經牢固地鍵合在碳酸鈣表面，屬于化學吸附。
4 結論
（1）用硬脂酸鈉改性碳酸鈣的最佳工藝條件為：漿料濃度為7%，硬脂酸鈉用量為0.5%，改性溫度為90℃，改性時間為30 min。
（2）改性后的碳酸鈣活化指數增大，吸油值降低，沉降速度減小，黏度減小。
（3）硬脂酸鈉已經牢固地鍵合在碳酸鈣表面，屬于化學吸附，從而使碳酸鈣表面由親水疏油轉化為親油疏水，成為一種功能性補強，增韌改性的填充材料。
（本文作者：硬脂酸鈉改性碳酸鈣效果研究 邢 丹，劉立華）
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