輕質(zhì)碳酸鈣(Light Calcium Carbonate)又稱沉淀碳酸鈣( Precipitated Calcium Carbonate，簡稱PCC)。輕質(zhì)碳酸鈣是用化學(xué)加工方法制得的。由于它的沉降體積(2.4-2.8mL/g)比用機械方法生產(chǎn)的重質(zhì)碳酸鈣沉降體積(1.1-1.9mL/g)大，因此被稱為輕質(zhì)碳酸鈣。它的化學(xué)式為CaCO3，它與所有的強酸發(fā)生反應(yīng)，生成和相應(yīng)的鈣鹽(如氯化鈣CaCl2)，同時放出二氧化碳。在常溫(25℃)下，輕質(zhì)碳酸鈣在水中的濃度積為8.7/1029、溶解度為0.0014；輕質(zhì)碳酸鈣水溶液的pH值為9.5～10.2；空氣飽和輕質(zhì)碳酸鈣水溶液的pH值為8.0～8.6；輕質(zhì)碳酸鈣無毒、無臭、無刺激性，通常為白色，相對密度為2.7～2.9；沉降體積2.5ml/g以上，比表面積為5m2/g左右。

碳酸鈣性狀特點

白色粉末或無色結(jié)晶。無氣味。無味。82.5℃分解為氧化鈣和二氧化碳。 溶于稀酸而放出二氧化碳，不溶于及醇。有兩種結(jié)晶，一種是正交晶體文石，一種是六方菱面晶體方解石。方解石,有刺激性。

a 顆粒形狀規(guī)則，可視為單分散粉體，但可以是多種形狀，如紡錘形、立方形、針形、鏈形、球形、片形和四角柱形。這些不同形狀的碳酸鈣可由控制反應(yīng)條件制得。

b 粒度分布較窄。

c 粒徑小，平均粒徑一般為1-3μm。要確定輕質(zhì)碳酸鈣的平均粒徑，可用三軸粒徑中的短軸粒徑作為表現(xiàn)粒徑，再取中位粒徑作為平均粒徑。以后除說明外，平均粒徑，即指平均短軸粒徑。

輕質(zhì)碳酸鈣由于粒徑小，表面能高，分子間力、靜電作用、氫鍵、氧橋等引起碳酸鈣粒子極易團聚，作為填料，會影響實際使用效果；另外碳酸鈣表面有親水性較強的-OH，呈堿性，是一種親水性粉體，在高聚物中分散不均勻，因此應(yīng)用中必須對其表面改性，降低表面能，增加表面活性基團，提高與聚合物界面的濕潤性及與聚合物的相互作用性。

聚合物的物理性能受活化度的高低的影響，而活化度的高低，除了與改性劑有關(guān)，關(guān)鍵點還在于碳酸鈣粒子是否真正分散。因此，碳酸鈣的分散程度、改性效果的好壞，直接影響到其使用價值和應(yīng)用領(lǐng)域。

碳酸鈣表面改性簡述

碳酸鈣的表面改性方法主要是化學(xué)包覆，輔之以機械化學(xué)；使用的表面改性劑包括硬脂酸（鹽），鈦酸酯偶聯(lián)劑，鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋯鋁酸鹽偶聯(lián)劑以及無規(guī)聚丙烯，聚乙烯蠟等。

碳酸鈣連續(xù)表面改性工藝

表面改性要借助設(shè)備來進行。常用的表面改性設(shè)備是SLG型連續(xù)粉體表面改性機、高速加熱混合機以及渦流磨和流態(tài)化改性機等。

影響碳酸鈣表面改性效果的主要因素是：表面改性劑的品種、用量和用法（即所謂表面改性劑配方）；表面改性溫度、停留時間（即表面改性工藝）；表面改性劑和物料的分散程度等。其中，表面改性劑和物料的分散程度主要取決于表面改性機。

1、濕法改性常用藥劑及工藝

濕法活化是將活化劑加入到溶劑中（如水中），將碳酸鈣在其中進行攪拌使其表面包覆，最后再進行千燥，這一般在輕質(zhì)碳酸鈣或者納米碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)中完成。

碳酸鈣顆粒經(jīng)濕法改性處理后，其表面能降低，即使經(jīng)壓濾、干燥后形成二次粒子，僅形成結(jié)合力較弱的軟團聚，有效地避免了干法改性中因化學(xué)鍵氧橋的生成而導(dǎo)致的硬團聚現(xiàn)象。此法是傳統(tǒng)的碳酸鈣表面處理方法，適用于水溶性的表面活性劑，該法的優(yōu)點是包覆均勻，生產(chǎn)質(zhì)量高。但干燥需要控制一定的溫度和條件，有些表面處理劑不溶于水或在水中易分解，采用其它有機試劑又有成本和安全問題。

（1）硬脂酸（鹽）表面活性劑

硬脂酸（鹽）表面活性劑是碳酸鈣改性常用表面處理劑之一，屬于陰離子表面活性劑，分子一端長鏈烷基的結(jié)構(gòu)和高分子結(jié)構(gòu)類似，為親油性基團，因而與高分子基料有較好的相容性，另一端為羧基等水溶性極性基團，可與碳酸鈣等無機填料表面發(fā)生物理、化學(xué)吸附。

硬脂酸（鹽）改性碳酸鈣的具體反應(yīng)機理是在堿性條件下，ROOH-與Ca2+等組分發(fā)生反應(yīng)生成脂肪酸鈣沉淀物，包覆于碳酸鈣表面，使粒子的表面性質(zhì)由親水變?yōu)橛H油。

岳林海等報道了以硬脂酸鈉鹽皂化液為介質(zhì)，用共沉淀法制備復(fù)合碳酸鈣。金瑞娣等研究了硬脂酸鈉原位改性碳酸鈣，在改性劑存在條件下，由氫氧化鈣經(jīng)過碳化制備改性碳酸鈣，表明憎水性是由于硬脂酸鈉以離子鍵的形式結(jié)合到碳酸鈣表面形成難溶硬脂酸鈣。

（2）磷酸鹽和縮合磷酸表面活性劑

磷酸鹽等脂肪酸（酯）用于碳酸鈣的表面改性，是利用特殊結(jié)構(gòu)的多聚磷酸酯（ADDP）對碳酸鈣進行表面改性后，碳酸鈣粒子表面疏水親油，在油中的平均團聚粒徑減小，將改性的碳酸鈣填充于PVC塑料體系可顯著改善塑料的加工性能和力學(xué)性能。混合使用硬脂酸和十二烷基苯磺酸鈉對輕質(zhì)碳酸鈣進行表面處理，可以提高表面改性的效果。

（3）季胺鹽類表面活性劑

季胺鹽類是一種陽離子表面活性劑，它帶正電的一端通過靜電吸附在碳酸鈣表面，另一端可以和高聚物進行交聯(lián)，實現(xiàn)對碳酸鈣的表面改性。

張智宏等利用新型陽離子表面活性劑十六烷基二甲基烯丙基氯化銨（CDAAC）對碳酸鈣進行有機化改性，改性產(chǎn)品用作橡膠填充劑獲得了良好效果。

2、干法改性常用藥劑及工藝

干法改性工藝流程是把碳酸鈣粉末放入高速混合機，再投入表面改性劑，借助混合機作用和一定的溫度使改性劑均勻的吸附于碳酸鈣粒子的表面，達到改性效果。

干法改性工藝的關(guān)鍵技術(shù)要求為：快速的混合以利于偶聯(lián)劑均勻的包覆于碳酸鈣粒子表面，合適的溫度以利于反應(yīng)和吸附的進行，碳酸鈣干燥不含水分以免偶聯(lián)劑先與水反應(yīng)，而不是和碳酸鈣表面的-OH反應(yīng)，影響改性效果。

表面改性劑一般為偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑對碳酸鈣進行表面改性，是利用偶聯(lián)劑一端的基團可以與碳酸鈣的表面發(fā)生反應(yīng)，形成強有力的化學(xué)鍵合，而偶聯(lián)劑的另一端可以與有機高分子發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)或機械纏繞，從而把碳酸鈣和有機高分子兩種性質(zhì)差異極大的材料緊密結(jié)合起來。目前市場上偶聯(lián)劑主要有鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、硼酸酯偶聯(lián)劑和磷酸酯偶聯(lián)劑等。

（1）鈦酸酯偶聯(lián)劑

所示為用鈦酸酯偶聯(lián)劑進行干法表面包覆改性的工藝流程，改性設(shè)備為高速加熱混合機。

為了提高鈦酸酯偶聯(lián)劑與碳酸鈣作用的均勻性，一般用惰性溶劑，如液體石蠟（白油）、石油醚、變壓器油、無水乙醇等進行溶解和稀釋。

鈦酸酯偶聯(lián)劑用量依碳酸鈣的粒度和比表面積而定，一般為0.5%-3.0%。碳酸鈣的干燥溫度盡可能在偶聯(lián)劑閃點以下，一般為100-120℃。鈦酸酯偶聯(lián)劑和惰性溶劑混合后以噴霧或滴加形式加入高速混合機中，這樣可以更好地與碳酸鈣顆粒分散混合，進行表面化學(xué)包覆。

如采用連續(xù)式的表面改性設(shè)備，如SLG連續(xù)式粉體表面改性機也可以不要用溶劑預(yù)先對鈦酸酯偶聯(lián)劑進行稀釋。

用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理后的碳酸鈣，與聚合物分子有較好的相容性。同時，由于鈦酸酯偶聯(lián)劑能在碳酸鈣分子和聚合物分子之間形成分子架橋，增強了有機高聚物或樹脂與碳酸鈣之間的相互作用，可顯著提高熱塑料復(fù)合材料等的力學(xué)性能，如沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度以及伸長率等。

用鈦酸酯偶聯(lián)劑表面包覆改性的碳酸鈣和未處理的碳酸鈣填料或硬脂酸（鹽）處理的碳酸鈣相比，各項性能均有明顯提高。

（2）鋁酸酯偶聯(lián)劑

鋁酸酯偶聯(lián)劑已廣泛應(yīng)用于碳酸鈣的表面處理和填充塑料制品，如PVC、PP、PE及填充母粒等制品的加工中。研究表明，經(jīng)鋁酸酯處理后的輕質(zhì)碳酸鈣在可使碳酸鈣/液體石蠟混合體系的黏度顯著下降，說明改性后的碳酸鈣在有機介質(zhì)中的分散性良好。

此外，表面改性活化后的碳酸鈣可顯著提高CaCO3/PP（聚丙烯）共混體系的力學(xué)性能，如沖擊強度、韌性等。

（3）復(fù)合偶聯(lián)改性

碳酸鈣復(fù)合偶聯(lián)體系是以碳酸鈣偶聯(lián)劑為基礎(chǔ)，結(jié)合其他表面處理劑、交聯(lián)劑、加工改性劑對碳酸鈣表面進行綜合技術(shù)處理的工藝。

復(fù)合偶聯(lián)體系中偶聯(lián)劑及各種助劑分述如下：

鈦酸酯偶聯(lián)劑。

硬脂酸。單獨使用硬脂酸處理碳酸鈣，效果不理想。單獨使用偶聯(lián)劑處理碳酸鈣，成本較高。將硬脂酸與鈦酸酯偶聯(lián)劑結(jié)合使用，可以收到較好的協(xié)同效果。硬脂酸的加入基本上不影響偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用。同時，還可以減少偶聯(lián)劑的用量，降低生產(chǎn)成本。

交聯(lián)劑雙馬來酞亞胺。復(fù)合偶聯(lián)劑體系中，采用交聯(lián)劑可以使無機填料通過交聯(lián)技術(shù)與基體樹脂緊密地結(jié)合在一起，進一步提高復(fù)合材料的各項機械力學(xué)性能。這是“白艷華”或簡單鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理難以達到的。

加工改性劑-80樹脂等。各種加工改性劑主要是高分子化合物。加工改性劑可以顯著改善樹脂的熔體流動性、熱變形性能及制品表面的光澤等。

為了使所有碳酸鈣粒子表面都能包覆一層偶聯(lián)劑分子，可以改噴霧或滴加的方法為乳液浸漬的辦法，再經(jīng)過濾，烘干，粉碎后與交聯(lián)劑等助劑高速捏合（混合），均勻分散。

綜上所述，碳酸鈣復(fù)合偶聯(lián)體系的主要成分是碳酸鈣和鈦酸酯偶聯(lián)劑。鈦酸酯偶聯(lián)劑發(fā)揮了主要作用。在此基礎(chǔ)上，再配合交聯(lián)劑、表面活性劑、加工改性劑等可進一步增強碳酸鈣填料的表面活性，增加填料的用量，提高復(fù)合材料的性能。

復(fù)合偶聯(lián)改性后的碳酸鈣填料為白色粉末，密度2.7-2.8g/cm3，pH值為7-8，疏水性能好。

經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的碳酸鈣（包括輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣），除了用作硬質(zhì)的聚氯乙烯的功能填料外，還廣泛用做膠粘劑、油墨、涂料等的填料和顏料。

4、聚合物改性

采用聚合物對碳酸鈣進行表面改性，可以改進碳酸鈣在有機或無機相（體系）中的穩(wěn)定性。這些聚合物包括低聚物、高聚物和水溶性高分子，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚馬來酸、聚丙烯酸、烷氧基苯乙烯-苯乙烯磺酸的共聚物、聚丙烯、聚乙烯等。

聚合物表面包覆改性碳酸鈣的工藝可分為兩種，一是先將聚合物單體吸附在碳酸鈣表面，然后引發(fā)其聚合，從而在其表面形成聚合物包覆層；二是將聚合物溶解在適當溶劑中，然后對碳酸鈣進行表面改性，當聚合物逐漸吸附在碳酸鈣顆粒表面上時排除溶劑形成包膜。這些聚合物定向吸附在碳酸鈣顆粒表面，形成物理、化學(xué)吸附層，可阻止碳酸鈣粒子團聚，改善分散性，使碳酸鈣在應(yīng)用中具有較好的分散穩(wěn)定性。

母料填料是一種新型塑料填料。方法是按一定比例將填料和樹脂母料混合，并添加一些表面活性劑，經(jīng)過高剪切混合擠出，切粒而制成母粒填料。這種母料填料具有較好的分散性，與樹脂結(jié)合力強，熔融均勻，添加量高，機械磨損小，應(yīng)用方便。因此，廣泛應(yīng)用于打包帶、編織袋、聚乙烯中空制品（管材、容器等）、薄膜等。根據(jù)基體樹脂的不同，常用母料填料主要有無規(guī)聚丙烯碳酸鈣母粒（APP母料）、聚乙烯蠟碳酸鈣母粒和聚乙烯碳酸鈣母粒填料等幾種。

APP母料是以碳酸鈣和無規(guī)聚丙烯為基本原料，以一定的比例配制，通過密煉、開煉、造粒生產(chǎn)。碳酸鈣在和無規(guī)聚丙烯復(fù)合前須經(jīng)表面活化處理。無規(guī)聚丙烯和活性碳酸鈣的配

比一般為1:3-1:10。為了改善無規(guī)聚丙烯的加工成型性能，一般成型時加入部分等規(guī)聚丙烯或部分聚乙烯。無規(guī)聚丙烯和活性碳酸鈣的配比決定了碳酸鈣粒子表面包覆水平，從而最終影響APP母料的產(chǎn)品質(zhì)量。

在APP母料這一體系中，碳酸鈣粒子四周被無規(guī)聚丙烯包覆，即碳酸鈣粒子均勻地分散在無規(guī)聚丙烯基料中。假設(shè)碳酸鈣粒子為標準立方體或球狀顆粒，其邊長或直徑分別為10μm、50μm、100μm，則可根據(jù)無規(guī)聚丙烯和碳酸鈣的質(zhì)量比計算出每一碳酸鈣顆粒表面包覆無規(guī)聚丙烯的平均假想厚度。理論上，填充的碳酸鈣越多越好，即假想厚度越小越好。但實際厚度取決于工藝設(shè)備及操作條件。

用聚乙烯蠟或聚乙烯代替無規(guī)聚丙烯作基料與活性碳酸鈣填充復(fù)合即可制備聚乙烯蠟碳酸鈣母料填料和聚乙烯碳酸鈣母料填料。

5、等離子和輻射改性

采用感應(yīng)耦合輝光放電等離子系統(tǒng)，并用氫（Ar）和高純丙烯（C3H6）混合氣體作為等離子體處理氣體對重質(zhì)碳酸鈣（1250目）粉末進行低溫等離子體改性結(jié)果表明，經(jīng)Ar-C3H6混合氣體處理的碳酸鈣填料與聚丙烯（PP）有較好的界面翰合性。這是由于經(jīng)改性后的碳酸鈣顆粒表面存在一非極性有機層，因此降低了碳酸鈣顆粒表面的極性，提高了與聚丙烯（PP）的相容性和親和性。

6、無機表面改性

采用縮合磷酸（即偏磷酸或焦磷酸）對碳酸鈣粉體進行表面改性，可克服碳酸鈣粉體耐酸性差、表面pH值高等缺點。改性后產(chǎn)品的pH值為5.0-8.0（較表面處理前下降1.0-5.0），難溶于醋酸等弱酸中，耐酸性較好。

另外，在碳酸鈣碳化過程中加入硫酸鋅和水玻璃進行表面改性，所得產(chǎn)品應(yīng)用于丁苯橡膠時，可改善其伸長率和撕裂強度。

干法改性工藝加工過程簡單，生產(chǎn)設(shè)備投資和生產(chǎn)成本較低，出料后可直接進行包裝，但與濕法比較，活化度欠佳，且很難對一次粒徑的碳酸鈣顆粒進行均勻的表面包覆，因此，干法活化工藝目前適用于填料級的碳酸鈣改性處理，用于功能性納米碳酸鈣還有待進一步改進。

3、碳酸鈣改性效果評價

改性碳酸鈣效果的評價大致可以分為兩大類：直接法和間接法。間接法是指將改性碳酸鈣填料與應(yīng)用體系，測定應(yīng)用體系的應(yīng)用性能。直接法是指測定改性碳酸鈣的表面物理化學(xué)性質(zhì)，如活化度、比表面積、吸油值、包覆量和表面結(jié)構(gòu)、形貌等。

（1）活化度

無機填料一般相對密度較大，而且表面親水，在水中自然沉降，而經(jīng)表面改性處理的無機填料，表面由親水變?yōu)樵魉＿@種憎水的細小顆粒，由于巨大的表面張力，在水中漂浮不沉。根據(jù)這一現(xiàn)象，提出活化度的概念，用ω表示。

ω=樣品中漂浮部分的重量（g）/樣品總重量（g）

ω從0-100%的變化過程，反映出改性碳酸鈣表面活化程度由小到大。

測試方法按以下步驟，稱取約5g試樣，精確至0.01g，250ml分液漏斗中，加200ml水，以120次/min的速度往返振搖1min，輕放于漏斗架上，靜置20-30min，待明顯分層后一次性將下沉碳酸鈣放入預(yù)先于105±5℃下恒重的（精確至0.001g）玻璃砂坩堝中，抽濾除水，置于恒溫干燥箱中，于105±5℃下干燥至恒重，精確至0.001g。

（2）比表面積

表面改性處理過程除了能改善活性，也能有效阻止二次團聚。未改性納米碳酸鈣粒子之間易產(chǎn)生硬團聚，比表面積較小。表面改性后，碳酸鈣粒子團聚現(xiàn)象得到很大改善，比表面積明顯增大。比表面積越大，表明粒子的分散性和分散程度越好。這是因為改性納米碳酸鈣粒子表面包覆了一層改性劑，表面能降低，使得粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)。即使一些粒子團聚在一起，其相互之間的團聚也是軟團聚，這種團聚較易打開。

（3）吸油值

吸油值與碳酸鈣顆粒的大小、分散，凝聚程度、比表面積以及顆粒的表面性質(zhì)有關(guān)。吸油值是影響改性碳酸鈣的實際應(yīng)用的重要性質(zhì)，尤其是對于涂料、塑料、油墨行業(yè)。如果吸油值較大，應(yīng)用于涂料、油墨行業(yè)會使黏度增大，應(yīng)用于塑料行業(yè)會增大增塑劑的消耗量，因此吸油值宜低。