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活性纳米碳酸钙制备及其对PE薄膜性能的影响

薄膜主要由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等树脂制成，具有柔软性、延展性，良好的加工性能和印刷性能，已经广泛地应用于食品、医药、化工等领域，但是由于树脂生产成本高，对环境影响大，通常需要加入填料降低成本。

由于普通填料的性能问题，会对薄膜的透明性产生影响。目前市场上透明母粒用的滑石填料粒径为微米级，粒子粗，透明性和强度较差；硫酸钠填料为水溶性物质，遇水易溶解，耐水和耐候性能差，以上两种填料并不适应于要求较高的产品。

纳米硫酸钡因其透明性高、光泽度好，常用于对透明度要求较高的薄膜，另一方面其由硫酸与碳酸钡反应制备而成，生产中对环境污染大，且由于其比重大，同样重量的母粒，吹出来的膜面积小，造成薄膜生产成本高。

纳米碳酸钙作为一种新型的填料，粒子尺寸小，比表面积大，可增加塑料薄膜的强度，具有比重小，制造成本低等优点。但是由于纳米碳酸钙粒径较小，易造成团聚与塑料的相溶性差，影响其透明性和分散性。

刘亚雄利用硫酸钡、硬脂酸皂、磷酸酯偶联剂和柠檬酸酯等对纳米碳酸钙进行无机-有机复合改性，考察了活性纳米碳酸钙对PE薄膜性能的影响。

1、活性纳米碳酸钙的制备

制备工艺：将石灰石和无烟煤按10∶1的比例在立窑中混合，煅烧温度1000±100℃，得到石灰和窑气；窑气经净化得到洁净窑气；生石灰与热水在回旋消化机中进行消化反应，得到石灰乳，石灰乳过筛和陈化得到精制石灰乳，调节石灰乳的温度为18～30℃，浓度为6%～10%；将精制石灰乳泵入碳化反应器中，通入洁净窑气（含CO₂为30%～35%），加入晶形控制剂（山梨糖醇），搅拌进行碳化反应，制备纳米碳酸钙浆料，当浆液pH值=7～8时，停止碳化；慢慢加入按摩尔比1∶1配制的硫酸钠和氯化钡的水溶液，继续搅拌60min，直到纳米碳酸钙的表面包覆硫酸钡，再继续碳化浆液至pH值≤7时，加入表面改性剂搅拌90min进行活化；经过压滤得到滤饼，滤饼水分为35%～40%；放置在电热恒温干燥箱干燥到水分≤0.5%；经气流粉碎机粉碎后包装得到产品。

2、PE薄膜的制备

将制备的纳米碳酸钙按下表配方在高速混合机中混合，温度110℃，搅拌5min，得到混合料。

将混合料加入双螺杆挤出机中，控制加热、恒温、保温、出料区的温度分别为：165、160、155、145℃，挤出、切粒后，按20%的比例加入PE中进行吹膜，制备PE薄膜，进行性能测试。

3、结果分析

（1）晶形控制剂用量对薄膜性能的影响

山梨糖醇是一种多元醇，可以提高Ca（OH）₂的溶解度，促进反应时生成小粒子，增加纳米碳酸钙的比表面积，对提高薄膜的透光率具有积极促进作用。

随着山梨糖醇用量增加后，粒子变小，比表面积增大，有利于光线绕射，透明率提高；但是比表面积达到一定程度，吸油值增加，加工阻力增大，粒子之间作用力强，造成分散性下降。综合考虑，确定山梨糖醇用量为纳米碳酸钙的0.6%。

（2）包覆硫酸钡用量对薄膜性能的影响

纳米碳酸钙的形态为立方体，加入硫酸钡包覆纳米碳酸钙主要目的是形成具有海棉结构的沉积层，产生一定的空隙率，改善分散性，提升光的透光率，进而提高透明性。

随着硫酸钡用量的增加，纳米碳酸钙被硫酸钡包覆，分散性和光透光率变好，当用量达到10%以上后，透光率变化不大，综合考虑成本因素，确定硫酸钡用量为纳米碳酸钙干基量的10%。

（3）表面改性对薄膜性能的影响

通过硬脂酸皂溶解磷酸酯和柠檬酸三丁酯，包覆到纳米碳酸钙表面，硬脂酸皂可提高分散性，磷酸酯偶联剂具有增强效果，柠檬酸三丁酯增加相溶性，可以降低吸油值，提高分散性和提高光透过率。

整体来看，当晶形控制剂山梨糖醇用量为纳米碳酸钙的0.6%，按纳米碳酸钙量的10%硫酸钡作为无机表面处剂，采用4%硬脂酸皂、1%酸酯偶联剂和1%柠檬酸酯作为有机表面处理剂，制备的纳米碳酸钙比表面积为30.6m²/g，吸油值为19.2gDOP/100g，电镜测试平均粒径为40nm，激光粒径仪测试D50为0.43μm，制备的PE薄膜，具有良好的分散性，透光率可达88.9%。

纳米碳酸钙较纳米硫酸钡具有较小的比重，相比纳米硫酸钡母粒比重小50%以上，同样重量的母粒可吹膜的面积更大，可以降低母粒的生产成本。

资料来源：《刘亚雄.透明母粒用纳米碳酸钙的制备及应用效果评价[J].中国非金属矿工业导刊,2021(04):50-52+62》

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