超声波辅助硅烷和硬脂酸对钙粉改性研究

摘""""" 要：钙粉制备过程中表面具有亲水性和疏油性，且比表面积大，颗粒易团聚，难以直接应用。利用硬脂酸和硅烷偶联剂对钙粉进行改性，考察硬脂酸、硅烷的投加量和超声波对改性效果的影响。结果表明，在超声波辅助条件下硬脂酸投加2%和硅烷投加2.5%条件下，沉降体积降低至0.7 mL/g，吸油值降低至21.0 mL/g， 活化度升高至96.7%，改性后的钙粉具有亲油性和疏水性的性能。

关" 键" 词：钙粉；硬脂酸；硅烷；复合改性

中图分类号：TQ201"""" 文献标识码： A"""" 文章编号： 1004-0935（2023）08-1129-05

近年来，随着市场对钙粉的需求量逐渐增大，钙粉的改性技术也迅速发展^[1-2]。硅烷偶联剂（SCA）是开发最早、应用最广的一类偶联剂，SCA的使用量一般为碳酸钙粉末的1.5%～2.0%。SCA偶联剂对碳酸钙改性的干法处理时，建议使用适当的溶剂稀释后添加填料^［1］；对于一般的SCA偶联剂，因羟基数较少，和碳酸钙表面不容易发生反应，只有当树脂与SCA偶联剂有相似的基团才能起到改性作用^［2］。 硬脂酸（SA）是一种常见的饱和脂肪酸，同时有亲油端和亲水端，而碳酸钙粉末表面是亲水的，把SA包裹在碳酸钙表面，能极大的改善其亲油性，实现碳酸钙粉末与有机分子之间的结合^［3-4］。SA用量为碳酸钙的2.0%、改性效果最好，改性后的碳酸钙性质由亲水性转变为疏水性^［5］。超声波（UW）是一种高频率的电磁波，可使含有UW物质的内部分子产生强烈运动，从而实现分子水平的相互碰撞^［6］，通过UW辅助SCA促进碳酸钙的改性实验，当改性剂用量为碳酸钙用量的2.5%、改性钙粉的活化度为94.50%，且吸油值和沉降体积相比原来的钙粉都有所降低^［7］。

UW辅助SCA和SA复合促进碳酸钙改性研究效果好且研究资料很少，因此本研究利用UW辅助SCA和SA的研究^［8］，探索一种改性好、成本低的改性方法，对碳酸钙改性及应用具有重要意义。

1 "材料及方法

钙粉的改性剂包括硬脂酸类（SAR）和硅烷类（SIL）偶联剂，分散剂为无水乙醇，测量沉降体积所使用的溶剂是液体石蜡，测量吸油值（XY）沉降体积（CT）和活化度（HD）^［3］。

2 "实验结果

2.1" 超声波耦合硬脂酸钙粉改性

图1可以看出，在30 ℃的超声波辅助条件下，改性钙粉粉体的三个性能都有很好的改善效果，当硬脂酸的投加量在2%和2.5%时，改性桐柏钙粉的各项指标都很稳定。不难发现在40 ℃的超声波辅助条件下，吸油值达到了最低点19.7 mL/g。在50 ℃的超声波辅助条件下，只有当改性剂投加量为2%时，沉降体积、吸油值、活化度均达到了最优点。

2.2 "超声波耦合硅烷钙粉改性

从图2可以看出，在超声波辅助条件下硅烷改性的三个指标均在2%时的改性效果最好，而之所以会选择30 ℃的辅助条件是因为在对比图中可以看出XY的改变最大，在实操过程中活化度的值小于CT，所以采用了这个条件，和超声波辅助条件下的硬脂酸相对比，两者的CT最佳值都处于2%，且同时达到了0.8 mL/g。

2.3 "超声波耦合硬脂酸和硅烷复合钙粉改性

从图3可以看出，对模型进行分析，可以观察出回归曲线模型有最较高的F值16.78和极低值0.000 6，表明回归模型的显著性是很好的，保证了沉降体积预测的准确性，在回归方程式中可以观察出抛物线的开口朝上有极小值，其中总误差为0.722 4，误差数值小于1，证明分析结果是十分可取的；吸油值模型拥有最高值8.52和最低值0.005 0， 表明回归模型的显著性是很好的，保证了吸油值预测的准确性。

在回归方程式中可以观察出抛物线的开口朝上有极小值，其中预测值的残差平方和为8.76，这个数据反应了模型的解释变差能力在逐步加强，总体拟合的数值表明其有统计显著性；活化度模型的回归系数R²=0.975 5，校正系数R² adj=0.944 0，其模型的回归系数R²越接近于1，反映实验值和预测值相关性越好，说明模型越能够反应实验数据。

2.4 "响应曲面图与参数优化

图4为硅烷和硬脂酸对CT的影响，从图中可以看出，在硅烷为2.5%的条件下，硅烷和硬脂酸添加量的不同对CT数值起到了很大影响作用。

在0%～2%范围内，CT随着硬脂酸的加入而数值在变小，但当硬脂酸大于2%之后，CT的数值开始升高，这说明过量的硬脂酸对CT也不会再起到积极的促进作用。在硅烷为2.5%的条件XY的3D响应曲面图与等高线图，可以发现硬脂酸和硅烷共同调理改性钙粉后钙粉的XY有小幅度降低的趋势，可以看出硬脂酸和硅烷添加的变化对XY起到了很显著的影响作用；当HD在92%以下时，等高图四角处都反映出绿色，当处于94%以上时，等高图中心呈现出橘黄色，而92%～94%之间则反映为黄色，用颜色的变化来反应图中数值的大小，可以很直观的看出数据高低之间的变化，HD的17组数值很有参考价值。

3 "结论

以硬脂酸、硅烷投加量、超声波温度为辅助指标进行分析，采用沉降体积、吸油值以及活化度为主要指标，得出钙粉改性主要结论：

1）在超声波辅助条件下硬脂酸投加2%和硅烷投加2.5%条件下，沉降体积降低至0.7 mL/g，吸油值降低至21.0 mL/g， 活化度升高至96.7%。

2） 改性后的钙粉具有亲油性和疏水性的性能。钙粉改性前后粒径变小，分散度增大。

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Ultrasonic-assisted Modification of Calcium Carbonate

Powder by Silane and Stearic Acid

TAI Ming-qing， ZHANG An-an

（Nanyang Institute of Technology， Nanyang Henan 473040， China）

Abstract：" The surface of calcium powder is hydrophilic and oilphobic in the preparation process， and the specific surface area is large， the particles are easy to agglomerate， and it is difficult to be applied directly. Calcium powder was modified with stearic acid and silane coupling agent， and the influence of the dosage of stearic acid and silane and ultrasonic wave on the modification effect was investigated. The results showed that under the conditions of adding 2% stearic acid and 2.5% silane， the sedimentation volume decreased to 0.7 mL·g^-1， the oil absorption value decreased to 21.0 mL·g^-1， and the activation degree increased to 96.8%. The modified calcium powder had the properties of lipophilicity and hydrophobicity.

Key words： Modified calcium powder; Stearic acid; Silane; Coupling modification