纳米碳酸钙表面改性方法及原理

时间:

2023-05-05 10:40:20.607


  由于纳米碳酸钙颗粒表面的亲水疏油性以及高表面能特性导致其极易团聚,使得纳米碳酸钙在塑料等有机基体中分散不均,从而影响其在塑料等有机基体的应用效果。因此,纳米碳酸钙作为填充改性材料用于塑料等有机基体前,须进行表面改性,以提高其应用效

  1、纳米碳酸钙表面改性方法
  纳米碳酸钙的表面改性方法可以分为以下三种:
  (1)干法改性
  干法改性是指在干燥的环境下,将改性剂与纳米碳酸钙粉体进行高速混合,在机械力的作用下,改性剂形成一层薄层均匀地包覆在纳米碳酸钙颗粒表面,改性纳米碳酸钙不用经后期处理便可直接使用。干法改性具有工艺简单,成本较低,直接包装,易于运输等优点,但是却存在着改性不均匀,改性效果差且对改性设备要求高,较难达成产业化等缺陷。
  颜干才等采用干法改性,将硬脂酸改性的纳米碳酸钙添加到密封胶内,成功增强了密封胶的耐水性和储存稳定性。
  (2)湿法改性
  湿法改性是于一定温度下,在纳米碳酸钙悬浮液中加入水溶性改性剂进行水浴加热搅拌改性,使之充分接触混合均匀,再经洗涤、干燥、烘干得到改性纳米碳酸钙。相比干法改性,湿法改性能够很好地让改性剂与纳米碳酸钙颗粒表面发生反应,改性效果较好,且易控制操作反应过程,改性剂损耗降低。
  Tang等采用锆铝酸盐偶联剂对纳米碳酸钙进行湿法改性。结果表明,未改性的纳米碳酸钙有明显的团聚现象,改性后纳米碳酸钙的分散性大大提高,且具有亲水性和亲脂性。在纳米碳酸钙表面改性的基础上,制备了纳米碳酸钙复合涂料。经流变性能实验证明,改性纳米碳酸钙复合涂料的动态弹性储能模量和粘损模量均高于未改性纳米碳酸钙复合涂料,这也说明表面改性是实现纳米碳酸钙在涂料中有效应用的关键因素。
  (3)原位表面改性
  原位表面改性是指将纳米碳酸钙制备及其表面改性两个步骤在原位同步完成。即在化学法合成溶液体系中加入表面改性剂,在纳米颗粒形成之前引入改性剂,在纳米碳酸钙颗粒长大的过程中,提供充足作用力抑制其生长,同时也能起到防止颗粒团聚的作用,最终获得改性纳米碳酸钙。原位表面改性能有效的改善粒子团聚问题,同时改性剂作为有机物质不仅改变纳米碳酸钙的表面性能而且对纳米碳酸钙的成核与生长起到调控作用。
  Yang等为了获得具有良好理化性能和抗菌性能的壳聚糖(CS)涂料,采用原位表面改性法对纳米碳酸钙和纳米TiO2进行改性,添加到CS涂料中。结果表明改性纳米碳酸钙/TiO2可以提高CS涂层的拉伸强度和断裂伸长率。且纳米碳酸钙/TiO2/CS涂层能有效降低细胞酶活性,影响菌体蛋白的合成和表达。
  2、纳米碳酸钙表面改性原理
  目前,纳米碳酸钙表面改性相对成熟的理论主要有以下四种:
  (1)化学键理论
  化学键理论认为,改性剂两端含有亲水官能团和亲油官能团,与纳米碳酸钙分子间形成化学键,从而和有机分子充分键合,依靠有机分子间的相互作用力,有效的改善粒子团聚问题,起到防止颗粒团聚的作用。
  (2)表面浸润理论
  表面浸润理论认为,若纳米碳酸钙颗粒可以彻底被有机液态树脂浸润,则有机基体对纳米碳酸钙表面的吸附作用,可以提高纳米碳酸钙与有机基体的黏结强度。
  (3)可变形层理论
  可变性形层理论认为,改性纳米碳酸钙表面可能存在较优的吸引有机基体中的配合剂,纳米碳酸钙有机基体间的不均衡固化,也许会引起比改性剂在两相间的单分子层还要厚的树脂层,也就是我们讨论的可变形层,它不仅有松弛两相间界面张力的作用,还可以通过阻止其裂缝的延展,起到提高界面结合强度的作用。
  (4)约束层理论
  约束层理论认为,由于纳米碳酸钙模量较高,而聚合物材料模量较低,若两者之间的界面层中存在模量相当的物质,就可以避免因应力集中而造成的界面缺陷,从而提高复合材料的性能。