مقدمه‌ای بر اصلاح سطح پرکننده‌های کربنات کلسیم سنگین
کربنات کلسیم در حال حاضر پرکاربردترین دسته از پرکننده‌های معدنی است. به دلیل سفیدی بالا، هزینه کم و خواص غیرسمی و غیرمحرک، به طور گسترده در صنایعی مانند ... مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلاستیک‌ها، لاستیک، چسب ها، جوهرها، و پوشش‌هابر اساس فرآیندهای تولید مربوطه، کربنات کلسیم به دو دسته طبقه‌بندی می‌شود: کربنات کلسیم سنگین (کلسیم سنگین) و کربنات کلسیم سبک (کلسیم سبک). کلسیم سنگین از سنگ‌های طبیعی - مانند کلسیت، مرمر و سنگ آهک - از طریق خردایش و طبقه‌بندی مکانیکی تولید می‌شود. این ماده دارای شکل ذرات نامنظم و توزیع اندازه ذرات نسبتاً گسترده‌ای است. برعکس، کلسیم سبک از طریق روش‌های شیمیایی تهیه می‌شود که امکان کنترل مورفولوژی کریستال را فراهم می‌کند و در نتیجه اندازه ذرات ریزتر می‌شود، البته با هزینه تولید بالاتر.
کربنات کلسیم رسوبی سطحی آبدوست و روغن‌گریز با قطبیت قوی از خود نشان می‌دهد که منجر به میل ترکیبی و سازگاری ضعیف با پلیمرهای آلی (مانند پلاستیک، لاستیک و رزین) می‌شود. هنگامی که به عنوان پرکننده مستقیم استفاده می‌شود، ذرات تمایل به تجمع دارند و دستیابی به پراکندگی یکنواخت در ماتریس آلی را دشوار می‌کند. علاوه بر این، نیروهای پیوند سطحی ضعیف به راحتی منجر به نقص‌های سطحی می‌شوند و در نتیجه خواص مکانیکی مواد کامپوزیت حاصل را به خطر می‌اندازند. با کاهش اندازه ذرات کربنات کلسیم، انرژی سطحی آن افزایش می‌یابد و پدیده تجمع را شدیدتر می‌کند.
بنابراین، عملیات سطحی قبل از استفاده ضروری است، در درجه اول برای بهبود:
کاهش انرژی سطحی ذرات برای جلوگیری از تجمع ذرات.
سطح کربنات کلسیم سنگین از آبدوست به آبگریز تبدیل می‌شود و در نتیجه سازگاری آن با ماتریس‌های آلی افزایش می‌یابد.
در حال حاضر، روش‌های اصلی برای اصلاح کربنات کلسیم سنگین، روش خشک، روش تر و روش مکانوشیمیایی هستند. در میان این روش‌ها، روش خشک در حال حاضر فرآیند صنعتی غالب است.
در روش خشک، پودر کربنات کلسیم خشک با یک عامل اصلاح‌کننده در یک دستگاه خمیرزن با سرعت بالا مخلوط می‌شود تا پوشش سطحی در دمای خاصی حاصل شود. این فرآیند به سادگی انجام می‌شود - محصول نهایی مستقیماً پس از تخلیه تولید می‌شود - و به ویژه برای عوامل اصلاح‌کننده محلول در روغن و همچنین برای تولید مداوم در مقیاس بزرگ مناسب است. روش مرطوب منجر به پوشش یکنواخت‌تری می‌شود. با این حال، این فرآیند پیچیده‌تر است و نیاز به یک مرحله آبگیری بعدی دارد. روش مکانوشیمیایی شامل افزودن همزمان عامل اصلاح‌کننده در طول فرآیند آسیاب فوق‌العاده ریز است و در نتیجه آسیاب کردن و اصلاح را در یک عملیات واحد ادغام می‌کند.
انتخاب عامل اصلاح‌کننده مستقیماً بر نتایج اصلاح تأثیر می‌گذارد؛ عوامل اصلاح‌کننده‌ای که معمولاً استفاده می‌شوند عبارتند از:
اسید استئاریک (نمک‌ها):
یک سر این مولکول دارای یک گروه کربوکسیل است که می‌تواند به صورت شیمیایی با یون‌های کلسیم روی سطح کربنات کلسیم پیوند برقرار کند؛ سر دیگر آن شامل یک گروه آلکیل با زنجیره بلند است که از نظر ساختاری شبیه به یک پلیمر است. این مکانیسم یک سیستم لنگر تک نقطه‌ای را تشکیل می‌دهد.
دوز معمول از ۱.۲٪ تا ۱.۵٪ متغیر است و درجه فعال‌سازی بیش از ۹۵٪ را به دست می‌دهد. مزایای آن شامل هزینه کم و دسترسی گسترده است. با این حال، معایب آن شامل درجه اتصال نسبتاً کم و پایداری متوسط پوشش سطح است. اجزای اصلی مورد استفاده اسید استئاریک (اسید اکتادکانوئیک) و نمک سدیم آن هستند.
عوامل اتصال تیتانات:
این عوامل با تشکیل پیوندهای شیمیایی با سطح کربنات کلسیم سنگین، جریان‌پذیری و خواص مکانیکی سیستم کامپوزیت را افزایش می‌دهند؛ با این حال، آنها بر محیط زیست و سلامت انسان تأثیر می‌گذارند. نمونه‌های اصلی شامل ایزوپروپیل تری (دی اکتیل پیروفسفات) تیتانات و ایزوپروپیل تری (ایزوستئاروئیل) تیتانات هستند.
داده‌های تجربی نشان می‌دهند که وقتی عامل اتصال‌دهنده تیتانات با غلظت ۲٪ اضافه می‌شود، درجه فعال‌سازی به ۹۷.۷۰٪ می‌رسد و مقدار جذب روغن به ۱۰.۶ گرم در ۱۰۰ گرم کاهش می‌یابد؛ علاوه بر این، هنگامی که در PVC گنجانده می‌شود، هم ازدیاد طول در نقطه شکست و هم مقاومت ضربه بهبود قابل توجهی نشان می‌دهند.
عوامل اتصال آلومینات:
این ماده که با رنگ روشن، غیرسمی بودن و پایداری حرارتی عالی مشخص می‌شود، قادر به تشکیل پیوندهای شیمیایی برگشت‌ناپذیر با سطح کربنات کلسیم است. این ماده برای کاربردهایی با الزامات سختگیرانه در مورد ظاهر محصول و ایمنی سلامت مناسب است و در درجه اول شامل ایزوپروپیل آلومینیوم بیس (اتیل استواستات) است.
عوامل اتصال سیلان:
انواع بی‌شماری از سیلان‌ها وجود دارند که همگی قادر به کاهش قطبیت کربنات کلسیم سنگین و افزایش خواص آبگریزی و چربی‌دوستی آن هستند؛ با این حال، سیلان‌ها در اصلاح کربنات کلسیم، به‌ویژه حساسیت آنها به هیدرولیز و خودتراکمی در شرایط قلیایی و همچنین پیچیدگی نسبی تکنیک‌های پردازش مرتبط، معایب مشخصی از خود نشان می‌دهند.
سیلان‌های رایج مورد استفاده شامل γ-آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان (KH-550)، γ-گلیسیدوکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (KH-560) و γ-متاکریلوکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (KH-570) و موارد دیگر هستند.
اصلاح‌کننده مرکب:
استفاده ترکیبی از دو یا چند اصلاح‌کننده می‌تواند اثرات هم‌افزایی داشته باشد. به عنوان مثال، ترکیب اسید استئاریک با آلومینات‌ها یا تیتانات‌ها منجر به اثر فعال‌سازی بهتری نسبت به استفاده از یک اصلاح‌کننده به تنهایی می‌شود.
کربنات کلسیم رسوب‌شده سطحی قلیایی از خود نشان می‌دهد (pH سوسپانسیون آبی آن معمولاً بین ۹ تا ۱۰ است). در شرایط قلیایی، عوامل اتصال سیلان مستعد هیدرولیز و واکنش‌های خود تراکمی هستند و تشکیل یک لایه پیوند شیمیایی یکنواخت و مستحکم روی سطح کربنات کلسیم را برای آنها دشوار می‌کند.
با این حال، این امر مانع استفاده از عوامل اتصال سیلان نمی‌شود؛ در واقع، در برخی کاربردها، سیلان‌ها ممکن است انتخاب مناسب‌تری باشند. معمولاً، آنها همراه با افزودنی‌هایی مانند استئارات‌ها استفاده می‌شوند. با استفاده از استئارات‌ها برای کاهش قلیائیت سطحی کربنات کلسیم - یا برای تشکیل یک لایه پوشش کامپوزیتی - می‌توان عامل اتصال سیلان را اعمال کرد و از این طریق از مزیت ذاتی آن یعنی میل ترکیبی قوی برای رزین‌های خاص بهره برد.
