超聲波輔助硅烷和硬脂酸對鈣粉改性研究

摘""""" 要：鈣粉制備過程中表面具有親水性和疏油性，且比表面積大，顆粒易團(tuán)聚，難以直接應(yīng)用。利用硬脂酸和硅烷偶聯(lián)劑對鈣粉進(jìn)行改性，考察硬脂酸、硅烷的投加量和超聲波對改性效果的影響。結(jié)果表明，在超聲波輔助條件下硬脂酸投加2%和硅烷投加2.5%條件下，沉降體積降低至0.7 mL/g，吸油值降低至21.0 mL/g， 活化度升高至96.7%，改性后的鈣粉具有親油性和疏水性的性能。

關(guān)" 鍵" 詞：鈣粉；硬脂酸；硅烷；復(fù)合改性

中圖分類號：TQ201"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2023）08-1129-05

近年來，隨著市場對鈣粉的需求量逐漸增大，鈣粉的改性技術(shù)也迅速發(fā)展^[1-2]。硅烷偶聯(lián)劑（SCA）是開發(fā)最早、應(yīng)用最廣的一類偶聯(lián)劑，SCA的使用量一般為碳酸鈣粉末的1.5%～2.0%。SCA偶聯(lián)劑對碳酸鈣改性的干法處理時，建議使用適當(dāng)?shù)娜軇┫♂尯筇砑犹盍?sup>［1］；對于一般的SCA偶聯(lián)劑，因羥基數(shù)較少，和碳酸鈣表面不容易發(fā)生反應(yīng)，只有當(dāng)樹脂與SCA偶聯(lián)劑有相似的基團(tuán)才能起到改性作用^［2］。 硬脂酸（SA）是一種常見的飽和脂肪酸，同時有親油端和親水端，而碳酸鈣粉末表面是親水的，把SA包裹在碳酸鈣表面，能極大的改善其親油性，實現(xiàn)碳酸鈣粉末與有機(jī)分子之間的結(jié)合^［3-4］。SA用量為碳酸鈣的2.0%、改性效果最好，改性后的碳酸鈣性質(zhì)由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?sup>［5］。超聲波（UW）是一種高頻率的電磁波，可使含有UW物質(zhì)的內(nèi)部分子產(chǎn)生強(qiáng)烈運(yùn)動，從而實現(xiàn)分子水平的相互碰撞^［6］，通過UW輔助SCA促進(jìn)碳酸鈣的改性實驗，當(dāng)改性劑用量為碳酸鈣用量的2.5%、改性鈣粉的活化度為94.50%，且吸油值和沉降體積相比原來的鈣粉都有所降低^［7］。

UW輔助SCA和SA復(fù)合促進(jìn)碳酸鈣改性研究效果好且研究資料很少，因此本研究利用UW輔助SCA和SA的研究^［8］，探索一種改性好、成本低的改性方法，對碳酸鈣改性及應(yīng)用具有重要意義。

1 "材料及方法

鈣粉的改性劑包括硬脂酸類（SAR）和硅烷類（SIL）偶聯(lián)劑，分散劑為無水乙醇，測量沉降體積所使用的溶劑是液體石蠟，測量吸油值（XY）沉降體積（CT）和活化度（HD）^［3］。

2 "實驗結(jié)果

2.1" 超聲波耦合硬脂酸鈣粉改性

圖1可以看出，在30 ℃的超聲波輔助條件下，改性鈣粉粉體的三個性能都有很好的改善效果，當(dāng)硬脂酸的投加量在2%和2.5%時，改性桐柏鈣粉的各項指標(biāo)都很穩(wěn)定。不難發(fā)現(xiàn)在40 ℃的超聲波輔助條件下，吸油值達(dá)到了最低點(diǎn)19.7 mL/g。在50 ℃的超聲波輔助條件下，只有當(dāng)改性劑投加量為2%時，沉降體積、吸油值、活化度均達(dá)到了最優(yōu)點(diǎn)。

2.2 "超聲波耦合硅烷鈣粉改性

從圖2可以看出，在超聲波輔助條件下硅烷改性的三個指標(biāo)均在2%時的改性效果最好，而之所以會選擇30 ℃的輔助條件是因為在對比圖中可以看出XY的改變最大，在實操過程中活化度的值小于CT，所以采用了這個條件，和超聲波輔助條件下的硬脂酸相對比，兩者的CT最佳值都處于2%，且同時達(dá)到了0.8 mL/g。

2.3 "超聲波耦合硬脂酸和硅烷復(fù)合鈣粉改性

從圖3可以看出，對模型進(jìn)行分析，可以觀察出回歸曲線模型有最較高的F值16.78和極低值0.000 6，表明回歸模型的顯著性是很好的，保證了沉降體積預(yù)測的準(zhǔn)確性，在回歸方程式中可以觀察出拋物線的開口朝上有極小值，其中總誤差為0.722 4，誤差數(shù)值小于1，證明分析結(jié)果是十分可取的；吸油值模型擁有最高值8.52和最低值0.005 0， 表明回歸模型的顯著性是很好的，保證了吸油值預(yù)測的準(zhǔn)確性。

在回歸方程式中可以觀察出拋物線的開口朝上有極小值，其中預(yù)測值的殘差平方和為8.76，這個數(shù)據(jù)反應(yīng)了模型的解釋變差能力在逐步加強(qiáng)，總體擬合的數(shù)值表明其有統(tǒng)計顯著性；活化度模型的回歸系數(shù)R²=0.975 5，校正系數(shù)R² adj=0.944 0，其模型的回歸系數(shù)R²越接近于1，反映實驗值和預(yù)測值相關(guān)性越好，說明模型越能夠反應(yīng)實驗數(shù)據(jù)。

2.4 "響應(yīng)曲面圖與參數(shù)優(yōu)化

圖4為硅烷和硬脂酸對CT的影響，從圖中可以看出，在硅烷為2.5%的條件下，硅烷和硬脂酸添加量的不同對CT數(shù)值起到了很大影響作用。

在0%～2%范圍內(nèi)，CT隨著硬脂酸的加入而數(shù)值在變小，但當(dāng)硬脂酸大于2%之后，CT的數(shù)值開始升高，這說明過量的硬脂酸對CT也不會再起到積極的促進(jìn)作用。在硅烷為2.5%的條件XY的3D響應(yīng)曲面圖與等高線圖，可以發(fā)現(xiàn)硬脂酸和硅烷共同調(diào)理改性鈣粉后鈣粉的XY有小幅度降低的趨勢，可以看出硬脂酸和硅烷添加的變化對XY起到了很顯著的影響作用；當(dāng)HD在92%以下時，等高圖四角處都反映出綠色，當(dāng)處于94%以上時，等高圖中心呈現(xiàn)出橘黃色，而92%～94%之間則反映為黃色，用顏色的變化來反應(yīng)圖中數(shù)值的大小，可以很直觀的看出數(shù)據(jù)高低之間的變化，HD的17組數(shù)值很有參考價值。

3 "結(jié)論

以硬脂酸、硅烷投加量、超聲波溫度為輔助指標(biāo)進(jìn)行分析，采用沉降體積、吸油值以及活化度為主要指標(biāo)，得出鈣粉改性主要結(jié)論：

1）在超聲波輔助條件下硬脂酸投加2%和硅烷投加2.5%條件下，沉降體積降低至0.7 mL/g，吸油值降低至21.0 mL/g， 活化度升高至96.7%。

2） 改性后的鈣粉具有親油性和疏水性的性能。鈣粉改性前后粒徑變小，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