探究纳米碳酸钙的表面改性及橡胶中的运用

陆武邦

【摘  要】纳米碳酸钙作为一种纳米材料，在塑料及橡胶制品的运用较多，其作为填料可以起到扩容、增韧、增白、增强耐磨性等作用，还可以有效降低成本。因此，纳米碳酸钙一直是行业研究的重点，但纳米碳酸钙有易团聚、与聚合物亲和性差两个缺陷，需要对其进行表面改性来弥补缺陷，以此提高纳米碳酸钙与高聚物的亲和性。本文就對纳米碳酸钙的表面改性展开研究，并对其在橡胶中的运用进行详细分析。

【关键词】纳米碳酸钙;表面改性;橡胶

纳米碳酸钙作为一种重要的化工产品，在塑料、橡胶等行业运用广泛，其具有无毒、无刺激性、色泽好、价格低等明显优势，但纳米碳酸钙自身也存在着易团聚和与聚合物亲和性差等缺陷，这两个缺陷使得纳米碳酸钙运用到橡胶中时很难均匀分散，因此需要对纳米碳酸钙的表面进行改性工作，以此来降低成本、提高其材料性能。本文就对纳米碳酸钙的表面改性及橡胶中的运用展开探究，以期为后续研究提供思路和有效参考。

1纳米碳酸钙的表面改性工作

纳米碳酸钙具有多项明显优势，但由于表面效应的存在，使得纳米碳酸钙在有机介质中应用的时候会存在两个缺陷：（1）纳米碳酸钙相比普通的微米碳酸钙来说，其颗粒的化学活性较大，容易团聚，对使用效果影响很大;（2）纳米碳酸钙的表面能高，在高聚物中容易分散不均匀，且与高聚物的亲和性较差，大大影响了材料性能，纳米碳酸钙的填充量越多缺陷会愈发明显。为解决这些缺陷，提高纳米碳酸钙的性能，就需要对其进行表面改性，DLVO理论认为纳米碳酸钙易团聚和分散是由于粒子间的分子吸引力和静电排斥力引起的，因此可以利用电荷的作用使颗粒之间相互排斥，以此完成纳米碳酸钙的表面改性工作。下面就说一说表面改性的几种方法。

1.1高能表面改性

高能表面改性是利用等离子体或X射线等高能射线来让纳米碳酸钙进行改性的方法。具体来说，高能表面改性可通过以下方式进行：（1）表面的辐照改性。研究表明，纳米碳酸钙表面的孤对电子状态并不稳定，很容易和大气中的水产生化学反应，这对纳米碳酸钙的性能有很大影响，要想进一步提高其性能，可以利用高能辐射来激活纳米碳酸钙的表面，使两者发生活性点反应形成有机包覆层，以此来改善填料的表面性质和高分子材料的相容性，达到改善纳米碳酸钙性能的目的;（2）等离子体的表面改性。等离子体对纳米碳酸钙的表面改性主要是利用等离子体之间的聚合技术，促使单体活化并吸附到固体表面成为表面自由基，表面自由基与等离子体发生发生聚合反应会在纳米碳酸钙表面形成聚合物薄膜，达到表面改性的目的[1]。

1.2局部化学反应改性

纳米碳酸钙最常见的改性方法就是利用处理剂和纳米碳酸钙发生反应来达到改性的目的。一般来说，有机物、无机物、偶联剂等都属于处理剂。（1）依据纳米碳酸钙的物理状态可将表面改性的方法分为干法、湿法和干湿混合法三种。①干法。干法表面改性是指将改性剂喷洒到纳米碳酸钙上并进行表面改性，这种改性方法需要在一定的温度条件下进行，加工工艺较为简单，成本也较低，出料之后可以直接进行包装和运输，但干法与湿法相比，其活化度和均匀度均略显不足，需要借助改性机进行操作;②湿法。湿法是指在纳米碳酸钙溶液中加入改性剂来进行表面改性，湿法改性法的包覆效果好，其改性后的质量高，但其工艺比较复杂，最后还需要增加干燥工艺来获得干燥的活性碳酸钙粉，此方法不便于包装和运输;③干湿混合法。这种改性方法结合了干法和湿法两种工艺的优点，其改性效果好，需要先用湿法改性再用干法改性，整个流程较为繁琐[2]。（2）根据处理剂的不同也可将表面改性的方法分为很多种，下面列举几种：①无机体的改性。无机体对提高纳米碳酸钙的性能有着不小的作用，一方面可以增加纳米碳酸钙的耐酸程度，另一方面可以改善纳米碳酸钙的分散性。这种改性方法的原理是两者之间发生化学反应，在纳米碳酸钙的表面形成一层“保护膜”，以此来改善纳米碳酸钙的分散性和亲油性;②有机酸的包裹改性。纳米碳酸钙具有疏油亲水的特点，利用有机酸可以将其紧密包裹，改性完成后纳米碳酸钙的亲油性会得到明显改善，与基体的相容性也得到提高;③偶联剂的改性。利用偶联剂对纳米碳酸钙进行表面改性主要是依据化学反应将高分子基质和纳米碳酸钙紧密联系起来，以此达到材料综合性能提高的目的;④聚合物的改性。采用聚合物对纳米碳酸钙进行表面改性有两种方式，一是聚合物直接吸附在纳米碳酸钙表面来完成改性;二是通过化学反应来引发聚合物在其表面形成高分子链接来完成纳米碳酸钙的表面改性。

2纳米碳酸钙在橡胶中的具体应用

多项研究表明，将纳米碳酸钙表面改性后，填充到橡胶内，制备出的橡胶有良好的综合性能，具有拉伸性强、耐磨性强等优势，下面来说说纳米碳酸钙在橡胶中的应用。

2.1在粉末橡胶中的应用

随着对橡胶研究的深入，粉末橡胶逐渐兴起，相比传统的块状橡胶，粉末橡胶的优势更加明显。具体研究表明，粉末橡胶的粒径基本不会超过1毫米，粒径小的同时其流动性也很好，因此粉末橡胶在运输的过程中不会发生粘结成团 的现象[3]。粉末橡胶在进行制备时大多采用凝聚包覆法，这种制备方法工艺流程较为简单且容易控制，另一个明显优势就是在粉末化系统中添加纳米碳酸钙等填料，粉末橡胶更容易使填料均匀分布，还可以使制出来的橡胶质量更高。

2.2在块状橡胶中的应用

纳米碳酸钙在橡胶制品中的应用很广泛，有着明显的硫化促进和补强效果。一般来说，彩色和浅色的橡胶制品多使用纳米碳酸钙作为填充料，用纳米碳酸钙填充的橡胶制品比普通碳酸钙填充的橡胶制品综合性能更强，在耐磨性、撕裂性、伸张率等方面都有着明显的提高。而且，由于纳米碳酸钙作为填充物的优势明显，很多情况下已经逐渐取代了其他的填充物，广泛被用于多种橡胶制品中。

3结语

纳米碳酸钙作为新型填充材料，提高其自身性能具有极其重要的现实意义。当前我国碳酸钙的产品仍比较单一，高端纳米碳酸钙产品的研发和生产能力仍有待提升，因此更需要进一步加强纳米碳酸钙的研究工作，提高其自身性能和性价比，并将其更加广泛地应用到塑料、橡胶等更多行业领域中，促进纳米材料及其行业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]刁润丽，张晓丽. 纳米碳酸钙的表面改性研究进展[J]. 矿产保护与利用，2018，000（001）：146-150.

[2]杨雷，邓金营，邓长征，黄含丽.纳米碳酸钙的合成、表面改性以及应用[J].广东化工，2019，46（05）：124-125.

[3]闻新春. 纳米碳酸钙的表面改性及其在橡胶中的运用[J]. 化工管理，2016，000（029）：168.

（作者单位：广西华纳新材料科技有限公司）