常温下重质碳酸钙的研磨改性一体化工艺研究*

杨 雷，蒋忠诚，董家璋

（湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082）

研究与开发

常温下重质碳酸钙的研磨改性一体化工艺研究*

杨 雷，蒋忠诚，董家璋

（湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082）

在粒径为45 μm重质碳酸钙的浆料中加入硬脂酸，利用研磨改性法，在研磨粉碎的同时制备了改性碳酸钙浆料，烘干粉碎后再对碳酸钙干粉进行改性。利用激光粒度分析等手段分别对碳酸钙干粉的粒度、表面活化度、吸油值、白度做了研究。结果发现，常温下可以实现重质碳酸钙研磨改性一体化工艺。研磨后碳酸钙颗粒的粒径由45 μm降至2 μm。随着硬脂酸的添加量逐渐增加，重质碳酸钙的活化度增加，吸油值下降。当硬脂酸的添加量增至2%（质量分数）后，重质碳酸钙的活化度超过98%，吸油值降至0.267 g/g。重质碳酸钙研磨改性一体化工艺有利于降低重质碳酸钙的生产成本，增加产品的竞争力。

重质碳酸钙；硬脂酸；粒度；活化度

作为一种重要的无机颜料填料，重质碳酸钙广泛地应用于橡胶、涂料、造纸和塑料行业中［1］。然而未经改性的重质CaCO3表面亲水性强，与有机物之间的亲和性和相容性比较差，容易在基质材料中团聚，从而在填料与高分子聚物的界面上形成缺陷［2］。这种界面缺陷十分容易产生局部应力，使得复合材料的力学性能降低，韧性降低，从而使重质CaCO3颗粒的补强作用丧失［3］。采用表面改性剂对重质碳酸钙进行表面包覆改性，改性剂中的亲油基团可以牢固地与高分子聚合物结合，而改性剂中的亲水基团则与重质CaCO3颗粒表面相互结合。这样可以降低无机填料 （重质碳酸钙）与基质材料之间的界面能，从而使重质碳酸钙和聚合物这2种相容性较差的材料通过表面包覆改性剂这一“分子桥”紧密地结合在一起，有利于大幅改善复合材料的整体性能［4］。因此，为了获得综合性能良好的复合材料，需采用表面包覆改性的方法，充分提高重质CaCO3颗粒材料在基质材料中的分散性。

用于重质碳酸钙的表面包覆改性剂一般采用低分子量和具有双亲结构的有机化合物。其中，硬脂酸是应用广泛的重质碳酸钙表面包覆改性剂［5］。但是，要实现改性剂对重质碳酸钙之间均匀的包覆，需要在较高温度、较长时间和较高机械力条件下进行，这又会导致重质碳酸钙生产工序的增加。研磨工艺能够磨碎颗粒，形成较大的新生成的表面。这些新生成的表面具有较高的表面能，容易吸附表面改性剂，因此有利于实现常温条件下改性剂对重质碳酸钙均匀的包覆。笔者探讨了重质碳酸钙研磨和表面改性一体化的新工艺，以期对重质碳酸钙的改性提供参考。

1 实验

1．1 改性重质CaCO3的制备

称取900 g粒度约为45 μm的CaCO3干粉，配成固体质量分数为75%的浆料，加入硬酯酸，硬酯酸为CaCO3干粉质量的1%～3%。浆料在42℃时初始黏度为147 mPa·s，静止20 min后黏度228 mPa·s。CaCO3浆料体积约为 600 mL。在搅拌分散机中以1 000 r/min的速度搅拌90 min。停止搅拌，取出浆料，置于180℃的干燥箱中烘干，烘干后取出改性块体，采用粉碎机高速粉碎3 min，得到改性的CaCO3干粉。

1．2 样品的性能及表征

采用LS-POP（6）型激光粒度分析仪分析重质CaCO3的粒度；采用YQ-Z-48A白度仪测量样品的白度；重质CaCO3的活化度和吸油值按照HG/T 2567—1994《工业活性沉淀碳酸钙》的标准要求进行分析。

2 结果与讨论

2.1 改性重质CaCO3的粒度分析

图1为采用研磨法制备的重质碳酸钙在不同硬脂酸添加量下的激光粒度分布。由图1可见，经过研磨后，产品峰值粒度为2 μm，粒度主要分布在0～6 μm区间，粒度分布范围窄，基本符合高斯分布。与原始的45 μm颗粒相比，重质碳酸钙产品的颗粒明显减小。从累计粒度分布看，当硬脂酸的添加量（质量分数，下同）分别为 0%、1%、2%、3%时，粒度≤4.24 μm的颗粒分别占98.4%、98.4%、98.99%、98.53%。说明随着硬脂酸的添加，一定程度上起到了助磨效果，使重质碳酸钙的粒度略有减小。但从总体上看，硬脂酸的添加量对产品的粒度分布影响不大。

图1 研磨后重质碳酸钙在不同硬脂酸添加量下的激光粒度分布图

2.2 活化度和吸油值分析

图2为不同硬脂酸添加量对改性重质CaCO3的活化度和吸油值的影响。

由图2可见，硬脂酸添加量对产品的活化度和吸油值有较大影响。随着硬脂酸添加量的增加，重质CaCO3的活化度大幅提高。当硬脂酸的添加量增至2%后，重质CaCO3的活化度超过98%。与此同时，随着硬脂酸添加量的增加，重质CaCO3的吸油值反而降低。当硬脂酸的添加量增至2%后，重质CaCO3的吸油值达到0.267 g/g。

图3为不同硬脂酸添加量对改性重质CaCO3白度的影响。

图3 不同硬脂酸添加量对研磨后重质碳酸钙白度的影响

由图3可见，随着硬脂酸添加量的增加，重质CaCO3的白度略有降低。当添加量由0%增至3%时，活性重质CaCO3的白度由94.2%降至92.44%，依然可以满足白色颜料的需求。

3 结论

在粒度为45 μm的重质CaCO3浆料中加入硬脂酸，利用研磨改性法，在研磨粉碎的同时制备了改性CaCO3浆料，烘干粉碎后对CaCO3干粉改性。利用激光粒度分析等手段分别对CaCO3干粉的粒径、活化度和吸油值做了研究。结果表明，常温下可以实现对重质碳酸钙研磨改性一体化的工艺。研磨后CaCO3颗粒粒径由45 μm降至2 μm。随着硬脂酸的添加量逐渐增加，重质碳酸钙的活化度增加，吸油值下降。当硬脂酸的添加量增至2%（质量分数）后，重质CaCO3的活化度超过98%，吸油值降至0.267 g/g。研磨改性一体化工艺有助于降低重质CaCO3的生产成本，增加产品的竞争力。

［1］ 胡晓波，刘宝树，胡庆福.重质碳酸钙生产现状及其发展［J］.中国粉体技术，2001，7（1）:24-28.

［2］ 程国君，于秀华，唐忠峰，等.超细CaCO3的硅烷偶联剂表面化学修饰研究［J］.非金属矿，2012，35（2）:15-17.

［3］ 高岩磊，刘树彬，刘会茹，等.Nano-CaCO3的表面改性及其在HDPE中的应用研究［J］.塑料科技，2012，40（6）:51-53.

［4］ 杨冬亚，邱凤仙，朱复红，等.改性纳米CaCO3复合粒子的制备、表征及性能［J］.稀有金属材料与工程，2008，37（A02）: 351-354.

［5］ 王权广，朱勇，黄炜民，等.纳米碳酸钙的原位包覆及应用［J］.无机盐工业，2012，44（10）:31-34.

Integration technology study on grinding and modification of ground calcium carbonate under room temperature

Yang Lei，Jiang Zhongcheng，Dong Jiazhang
（College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Adding stearic acid to 45 μm ground calcium carbonate（GCC）pulp，modified CaCO3pulp was prepared by grinding modification method，i.e.abrasive grinding and modification were performed simultaneously.Then CaCO3powder was modified again after drying and crushing.Particle size，surface activation degree，oil absorption，and whiteness of the CaCO3powder were analyzed by laser particle size analyzer and other analysis methods.It was found that the integration of abrasive grinding and modification for GCC could be realized simultaneously under room temperature.The particle size of CaCO3was reduced to 2 μm from 45 μm after the abrasive grinding.With the increasing amounts of stearic acid，the activation degree of GCC increased，but its oil absorption decreased.When the amounts of stearic acid increased to 2%（mass fraction），the activation degree of GCC was over 98%and oil absorption reduced to 0.267 g/g.Results showed that the integration technology of abrasive grinding and modification for GCC have great significance to reduce the production cost and increase the competitiveness of the products.

ground calcium carbonate；stearic acid；particle size；activation degree

TQ132.32

A

1006-4990（2015）05-0012-03

2014-11-16

杨雷（1978—），男，博士，副教授，主要从事纳米材料方面的研究。

中国自然科学基金资助项目（11104066）；湖南省自然科学基金资助项目（2013JJ8004）；湖南大学中央专项资助项目（531107040172）。

联系方式：nanoyang@qq.com