硬脂酸在納米碳酸鈣表面改性中的應用

2020-11-22 騰訊網

納米碳酸鈣應用於有機介質中存在兩大缺陷：一是納米碳酸鈣為表面親水疏油的無機材料，在聚合物中的分散性差，與有機體的親和力差，容易形成團聚體，直接應用效果不好，導致材料性能下降；二是納米碳酸鈣粒徑小，表面原子數多，表面能大，粒子之間相作用力強，容易形成納米碳酸鈣粉體的團聚。隨著納米碳酸鈣使用量的增大，這些缺陷更加明顯，過量的填充會使得材料無法使用。

硬脂酸是一種常見的長碳鏈的飽和脂肪酸，同時具有長碳鏈的親油端和羧基的親水端，而納米碳酸鈣表面是親水的，所以把硬脂酸包覆在納米碳酸鈣表面，能極大的改善其親油性，使其填充在橡膠、塑料、高級油墨、塗料中時，其大的比表面積和高比表面能有利於碳酸鈣顆粒與有機高聚物分子之間的結合牢固，能使製品表面光豔和具有優異的補強性能。

1、硬脂酸包覆改性納米碳酸鈣的機理

近幾年，用硬脂酸包覆改性納米碳酸鈣的研究也層出不窮。

Chen yijian等探究了在空氣-水界面的硬脂酸（SA）單分子層碳酸鈣晶體的形成過程。採用了電子顯微鏡和原位的布儒斯特角顯微鏡進行測試表徵，觀察到在硬脂酸單分子層下，最終的碳酸鈣晶體是由一種粒子前驅體形成而不是直接來自於溶劑化的離子。從掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）可以發現這種前驅體粒子是直徑小於100nm非晶碳酸鈣均勻球體。實驗是通過Ca(OH)2和CO2發生反應生成碳酸鈣，在礦化作用的早期產生了非晶的碳酸鈣，並且至少穩定存在0.5h，隨著數量的增加，非晶的碳酸鈣聚集形成了方解石相的碳酸鈣。

Xuetao Shi等採用商業硬脂酸，在水相條件下包覆沉澱的碳酸鈣，包覆之後的碳酸鈣，硬脂酸的含量為3%~13.5%。採用傅立葉紅外（FTIR）、熱重（TG）和差示掃描量熱（DSC）分析表明在碳酸鈣表面沒有游離的硬脂酸，只存在硬脂酸鈣。發現形成的硬脂酸鈣在包覆層表面是部分的化學吸附和部分的物理吸附，並且可以解決在水相條件下碳酸鈣不能表面的全包覆的問題，最大的包覆量為3.25%。

2、長鏈脂肪酸對碳酸鈣的影響

長鏈脂肪酸對碳酸鈣的形成也有重要的影響。

Jiuxin Jiang等通過在氫氧化鈣懸浮液中鼓入二氧化碳的同時，分別加入各種不同的長鏈脂肪酸——月桂酸（十二酸）、棕櫚酸（十六酸）和硬脂酸（十八酸），來探究碳酸鈣的形成。結果發現長鏈脂肪酸的加入不影響碳酸鈣的晶型，但是影響著所生成碳酸鈣粒子的形貌。當加入月桂酸時，碳酸鈣粒子的分散性大大提高；當加入大量的棕櫚酸和硬脂酸時，形成了微棒狀結構和紡錘狀結構。作者提出，在氫氧化鈣和二氧化碳的碳化反應過程中，一方面碳鏈的長度影響了氫氧化鈣懸浮液所形成膠束的形狀，另一方面膠束之間的接觸方式決定了最後形成的碳酸鈣的形貌。

Hao Wang等研究了聚合物、脂肪酸和肥皂液等清洗劑對在硬表面上（例如不鏽鋼和矽表面）活性碳酸鈣結晶、成核以及沉降的影響。從而在類似原理上指導了洗碗機在用清洗劑清洗過程中，怎樣能夠更好的清除油汙。

3、活性納米碳酸鈣的應用特點

硬脂酸改性之後的納米碳酸鈣，作為矽樹脂、聚丙烯等有機聚合物的填料，有著重要的影響。

Satyendra Mishra等研究了硬脂酸改性之後的納米碳酸鈣對矽樹脂複合材料性能的影響。在十二烷基磺酸鈉存在下，他們採用一定濃度的CaCl2和NH4HCO3發生反應，過濾乾燥得到納米碳酸鈣粉末。然後在甲苯存在下，一定量的硬脂酸和納米碳酸鈣攪拌混合，分別得到不同硬脂酸濃度的表面改性納米碳酸鈣，然後加入矽樹脂中作為填料，改善其性能，得到改性納米複合材料。結果表明，表面改性之後的納米碳酸鈣相比未改性的納米碳酸鈣和商業碳酸鈣，能夠極大的提高複合材料的拉伸強度、延伸率和耐磨性能以及阻燃性能。表面改性也能產生強粘合力，這使得聚合物鏈更牢固，聚合物的熱穩定提高。基於這些納米複合材料的高強度高韌性，可以用於電纜連接器、電氣和照明開關設備，在航空航天領域也有重要價值。

Mahdi Rahmani等研究了硬脂酸包覆的納米碳酸鈣用於聚丙烯基體的分散性能。採用TGA分析了實際包覆之後，碳酸鈣表面硬脂酸的含量，並用場發射掃描電子顯微鏡觀察了單層和多層硬脂酸包覆納米碳酸鈣之後樣品在有機體中的分散性能。結果表明採用硬脂酸改性之後的納米碳酸鈣填充在聚丙烯的有機體中，能夠很好的分散，它降低了粒子與粒子之間的相互作用以及聚合物之間的粘附性。經過硬脂酸表面改性之後的納米碳酸鈣，消除了其親水性，大大增加了與聚合物基質的相容性。

綜上所述，硬脂酸作為一種常見的長鏈脂肪酸，廉價用途廣泛，能夠很好的改性納米碳酸鈣。作為廉價易得的填料，硬脂酸改性之後的活性納米碳酸鈣能夠在眾多有機體中很好的分散，並且能夠提高有機體的拉伸強度、延伸率和耐磨性能以及阻燃性能等機械性能和熱力學性能，所以選擇硬脂酸對納米碳酸鈣進行改性，具有很好的研究和應用價值。

來源：周威. 納米碳酸鈣的表面改性以及中空米粒狀碳酸鍶與中空纖維狀碳酸鋇的製備[D].華南理工大學,2018.

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