تعديل كربونات الكالسيوم بالإشعاع السطحي

تُستخدم كربونات الكالسيوم، باعتبارها مادة مالئة غير عضوية مهمة، على نطاق واسع في المواد المركبة البوليمرية، والطلاءات، وصناعة الورق، وغيرها من المجالات. إلا أن جاذبيتها السطحية العالية للماء وضعف توافقها السطحي مع المواد العضوية يحدان من تحسين الأداء. غالبًا ما تعتمد طرق التعديل الكيميائي التقليدية على عوامل الربط أو المواد الخافضة للتوتر السطحي. إلا أن لها قيودًا، مثل العمليات المعقدة والأحمال البيئية العالية. ومع ذلك، فإن تعديل كربونات الكالسيوم بالإشعاع السطحي يمكن أن يحل هذه المشكلة.

تتضمن تقنية تعديل الإشعاع تعريض جسيمات كربونات الكالسيوم لأشعة عالية الطاقة (مثل أشعة جاما أو حزم الإلكترونات) أو البلازما، وذلك لتحفيز إعادة بناء قابلة للتحكم في هياكلها السطحية الفيزيائية والكيميائية. يمكن لطاقة الإشعاع أن تُحدث عيوبًا في الشبكة البلورية لكربونات الكالسيوم، وتُولّد جذورًا حرة نشطة، وتُعزز إعادة ترتيب المجموعات الوظيفية مثل مجموعات الهيدروكسيل السطحية، وتُشكّل هياكل خشنة دقيقة-نانوية من خلال الحفر. تُحسّن هذه التعديلات بشكل كبير قوة الترابط بين السطح ومصفوفة البوليمر.

معالجة كربونات الكالسيوم بالإشعاع السطحي: بلمرة الأكريلاميد على مسحوق كربونات الكالسيوم

1. تعديل إشعاع CaCO₃

1.1 المعالجة المسبقة والإشعاع المسبق لمسحوق CaCO₃

جُفِّف المسحوق عند درجة حرارة تتراوح بين ١٢٠ و١٤٠ درجة مئوية لمدة ساعتين لإزالة الرطوبة والمكونات المتطايرة الأخرى. بعد ذلك، وُزِّن المسحوق المُعالَج مسبقًا كميًا، ثم عُرِّض مسبقًا لشعاع إلكتروني عالي الطاقة تحت حماية النيتروجين. كان المسحوق المُعالَج مستقرًا للغاية، ولم تتأثر قدرته على بدء تطعيم المونومر إلا قليلاً بتخزينه في درجة حرارة الغرفة لمدة ثلاثة أيام.

1.2 تطعيم بلمرة الأكريلاميد على مسحوق مُشعع مسبقًا

وزِن المسحوق المُشعَّع مسبقًا بدقة، وأضف كميةً مُعينةً من الأكريلاميد المُذاب مُسبقًا في الماء، ثم أجرِ عملية بلمرة الطعم. بعد التفاعل، استُخلص الطعم باستخدام الأسيتون لمدة 8 ساعات، ثم جُفِّف تحت التفريغ حتى وصل إلى وزن ثابت، ثم وُضِع جانبًا.

2. النتائج والمناقشة

2.1 تعديل إشعاع CaCO₃

2.1.1 تأثير جرعة ما قبل الإشعاع على تكوين البنية العضوية على سطح الحشو

الشكل 1: تأثير جرعة الإشعاع على تكوين البنية العضوية على سطح CaCO₃

يوضح الشكل 1 تأثير جرعة الإشعاع على محتوى تكوين البنية العضوية على السطح (G%). وكما يتضح من الشكل 1، عندما تكون جرعة الإشعاع أقل من 6 مراد، يزداد محتوى البنية العضوية على السطح (G%) بشكل ملحوظ مع زيادة جرعة الإشعاع. وعندما تتجاوز الجرعة 6 مراد، يصبح التغيير أقل وضوحًا، ويصل إلى حالة التوازن بعد 8 مراد.

2.1.2 تأثير جرعة المونومر النشط على المحتوى العضوي السطحي

عند ثبات جرعة التشعيع، فإن تغيير كمية المونومر المضافة قد يؤثر أيضًا على المحتوى العضوي المتكون على السطح. يوضح الجدول 1 هذه العلاقة. وكما هو واضح، مع زيادة جرعة المونومر، يزداد أيضًا المحتوى العضوي السطحي (G%). ومع ذلك، تنخفض كفاءة استخدام المونومر (وزن AAM المطعم / الوزن الكلي AAM).

يشير هذا إلى أن المونومرات النشطة المضافة لا تشارك جميعها في تفاعل السطح وتُشكّل طبقة طلاء على كربونات الكالسيوم CaCO₃. قد يُعزى ذلك إلى انخفاض التركيز النسبي للمونومرات. فمع تقدم تفاعل التطعيم، قد يُعيق تكوّن الطبقة المُطعّمة انتشار المونومرات فيها.

الجدول 1: تأثير جرعة المونومر على محتوى التكوين العضوي السطحي (جرعة الإشعاع: 8 مراد)

لا.	أ0	أ1	أ2	أ3	أ4	أ5
كمية إضافة المونومر %	0	1	2	3	5	10
محتوى التكوين العضوي G%	0	1	1.7	2.5	3.4	6.7

2.2 بنية وخصائص سطح كربونات الكالسيوم المعدلة

2.2.1 طيف الأشعة تحت الحمراء لكربونات الكالسيوم المعدلة

الشكل 2 يوضح أطياف الأشعة تحت الحمراء لكربونات الكالسيوم غير المعدلة، وكربونات الكالسيوم المعدلة، والأكريلاميد، والبولي أكريلاميد.

من خلال مقارنة الأطياف في الشكل 2، يمكن إجراء الملاحظات التالية:

(1) لا يُظهر بولي أكريلاميد وكربونات الكالسيوم المُعدّلة أي امتصاص عند حوالي 1600 سم¹. وهذا يُطابق ذروة الرابطة المزدوجة للأكريلاميد.

(2) تظهر ذروة امتصاص الأميد المميزة عند 1658 سم⁻¹ في كربونات الكالسيوم المعدلة، والتي توجد أيضًا في طيف البولي أكريلاميد.

بالإضافة إلى ذلك، فإن ذروة الامتصاص بالقرب من 1425 سم⁻¹ تتحول إلى ما يقرب من 1443 سم⁻¹.

وتؤكد هذه الظاهرة أن الأكريلاميد تفاعل مع سطح كربونات الكالسيوم، مما يشير إلى تفاعل كيميائي واضح بين الأكريلاميد وكربونات الكالسيوم.

الشكل 2 طيف الأشعة تحت الحمراء لكربونات الكالسيوم المعدلة المشعة

2.2.2 خصائص سطح كربونات الكالسيوم المعدلة

يوضح الشكل 3 زاوية التلامس ومعدل امتصاص الزيت لكربونات الكالسيوم المعدلة المشعة والمطعّمة في البارافين السائل.

يتضح أنه مع زيادة المحتوى العضوي السطحي (G%) لكربونات الكالسيوم (CaCO₃)، يرتفع معدل امتصاص الزيت بشكل ملحوظ، بينما تنخفض زاوية التلامس. يشير هذا إلى تحسن كبير في قابلية امتصاص الدهون، مما يعزز تشتت جزيئات الحشو في مصفوفة البوليمر. كما يعزز التفاعل بين جزيئات الحشو وجزيئات البوليمر، مما يُحسّن الأداء العام لنظام المركب المملوء.

الشكل 3: زاوية التلامس ومعدل امتصاص الزيت لكربونات الكالسيوم المعدلة المشعة

2.2.3 الكثافة الظاهرية وحجم الجسيمات لكربونات الكالسيوم المعدلة

يوضح الجدول 2 العلاقة بين متوسط حجم الجسيمات والكثافة الظاهرية لكربونات الكالسيوم المعدلة ومحتواها العضوي السطحي.

مع زيادة المحتوى العضوي على سطح كربونات الكالسيوم (CaCO₃)، تنخفض الكثافة الظاهرية، بينما يُظهر متوسط حجم الجسيمات زيادة طفيفة. يُقلل وجود المزيد من المكونات العضوية من قطبية سطح كربونات الكالسيوم، مما يُضعف التفاعلات والتجمعات بين الجسيمات، ويجعل الجسيمات أكثر تراصًا.

وفي الوقت نفسه، تعمل القطبية المنخفضة على خفض التوتر السطحي بين CaCO₃ والبارافين السائل، مما يؤدي إلى زاوية اتصال أصغر.

الجدول 2: حجم الجسيمات والكثافة الكلية لكربونات الكالسيوم المعدلة

لا.	أ0	أ1	أ2	أ3	أ4	أ5
محتوى البنية العضوية	0	1	1.7	2.5	3.4	6.7
متوسط حجم الجسيمات، ميكرومتر	4.7	5.0	5.1	5.2	5.2	5.8
كثافة التكديس جم/سم³	0.33	0.30	0.30	0.28	0.28	0.27

3. الخاتمة

بالنسبة لتعديل الإشعاع السطحي لكربونات الكالسيوم، هناك الاستنتاجات التالية.
١. يُمكن للإشعاع المسبق بحزمة الإلكترونات أن يُولّد طبقة عضوية على سطح كربونات الكالسيوم، مُحوّلاً خصائصها من مُحبّة للماء إلى مُحبّة للدهون. يُخفّض هذا بشكل كبير التوتر السطحي مع البارافين السائل ويُخفّض زاوية التلامس. ونتيجةً لذلك، يُعزّز توافق كربونات الكالسيوم المُعدّلة بالإشعاع مع مواد البوليمر بشكل كبير.

2. يتأثر تكوين المادة العضوية على سطح CaCO₃ بعدة عوامل، بما في ذلك جرعة الإشعاع، وجرعة المونومر أثناء المعالجة المسبقة، ووقت الإشعاع.

3. تتبع تفاعلات التطعيم الإشعاعي في المقام الأول آلية تفاعل الجذور الحرة.

نبذة عن شركة Epic Powder Machinery

آلات مسحوق ملحمة شركة رائدة في تصنيع معدات معالجة المساحيق فائقة الدقة، بخبرة تمتد لعقود في تقنيات الطحن الدقيق والتصنيف وتعديل الأسطح. نقدم حلولاً مخصصة لتعديل إشعاع كربونات الكالسيوم وتطبيقات المواد المتقدمة الأخرى. بفضل البحث والتطوير الداخلي وجودة عالية الجودة تتوافق مع المعايير الأوروبية، تُعدّ Epic Powder شريكك الموثوق لتحسين أداء المواد وكفاءة الإنتاج.

اتصل بنا اليوم لمعرفة المزيد حول كيفية مساهمة حلولنا في تعزيز احتياجات معالجة المسحوق لديك.