Canxi cacbonat, là một chất độn vô cơ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong vật liệu composite polyme, lớp phủ, sản xuất giấy và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, tính ưa nước bề mặt mạnh và khả năng tương thích giao diện kém với các chất nền hữu cơ hạn chế việc tối ưu hóa hiệu suất. Các phương pháp biến tính hóa học truyền thống thường dựa vào các tác nhân liên kết hoặc chất hoạt động bề mặt. Chúng có những hạn chế như quy trình phức tạp và tải trọng môi trường cao. Tuy nhiên, việc biến tính chiếu xạ bề mặt canxi cacbonat có thể giải quyết được vấn đề này.
Công nghệ biến đổi chiếu xạ liên quan đến việc chiếu xạ các hạt canxi cacbonat bằng các tia năng lượng cao (như tia gamma hoặc chùm electron) hoặc plasma để tạo ra sự tái tạo có thể kiểm soát được các cấu trúc bề mặt vật lý và hóa học của chúng. Năng lượng chiếu xạ có thể tạo ra các khuyết tật mạng trong canxi cacbonat, tạo ra các gốc tự do hoạt động, thúc đẩy sự sắp xếp lại các nhóm chức năng như các nhóm hydroxyl bề mặt và tạo thành các cấu trúc thô micro-nano thông qua quá trình khắc. Những biến đổi này cải thiện đáng kể độ bền liên kết giao diện với ma trận polyme.
Xử lý chiếu xạ bề mặt canxi cacbonat: Trùng hợp ghép acrylamide trên bột canxi cacbonat
1. Biến tính CaCO₃ bằng chiếu xạ
1.1 Tiền xử lý và tiền chiếu xạ bột CaCO₃
Bột được sấy khô ở nhiệt độ 120–140°C trong 2 giờ để loại bỏ độ ẩm và các thành phần dễ bay hơi khác. Sau đó, bột được xử lý trước được cân định lượng và chiếu xạ trước bằng chùm tia điện tử năng lượng cao dưới sự bảo vệ của nitơ. Bột được chiếu xạ rất ổn định. Khả năng bắt đầu ghép monome của bột hầu như không bị ảnh hưởng khi bảo quản ở nhiệt độ phòng trong ba ngày.
1.2 Ghép trùng hợp Acrylamide trên bột đã chiếu xạ trước
Cân chính xác bột đã chiếu xạ trước, thêm một lượng acrylamide nhất định đã phân tán trước với nước và tiến hành đồng trùng hợp ghép. Sau phản ứng, đồng trùng hợp ghép được chiết bằng axeton trong 8 giờ, sấy chân không đến khối lượng không đổi và để riêng.
2. Kết quả và thảo luận
2.1 Biến đổi CaCO₃ bằng chiếu xạ
2.1.1 Ảnh hưởng của liều chiếu xạ trước đến sự hình thành cấu trúc hữu cơ trên bề mặt chất độn
Hình 1: Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến sự hình thành cấu trúc hữu cơ trên bề mặt CaCO₃
Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến hàm lượng hình thành cấu trúc hữu cơ trên bề mặt (G%) được thể hiện trong Hình 1. Như có thể thấy từ Hình 1, khi liều chiếu xạ nhỏ hơn 6 Mrad, hàm lượng cấu trúc hữu cơ trên bề mặt (G%) tăng đáng kể khi liều chiếu xạ tăng. Khi liều vượt quá 6 Mrad, sự thay đổi trở nên ít rõ rệt hơn và đạt trạng thái cân bằng sau 8 Mrad.
2.1.2 Ảnh hưởng của liều lượng Monome hoạt động lên hàm lượng hữu cơ bề mặt
Khi liều chiếu xạ được giữ không đổi, việc thay đổi lượng monome thêm vào cũng có thể ảnh hưởng đến hàm lượng hữu cơ hình thành trên bề mặt. Mối quan hệ được thể hiện trong Bảng 1. Như có thể thấy, khi liều lượng monome tăng, hàm lượng hữu cơ trên bề mặt (G%) cũng tăng. Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng monome (trọng lượng AAM ghép / tổng trọng lượng AAM) giảm.
Điều này chỉ ra rằng không phải tất cả các monome hoạt động được thêm vào đều tham gia vào phản ứng bề mặt và tạo thành lớp phủ trên CaCO₃. Điều này có thể là do nồng độ tương đối của các monome giảm. Bởi vì khi phản ứng ghép tiến triển, và sự hình thành lớp ghép có thể cản trở sự khuếch tán tiếp theo của các monome vào đó.
Bảng 1: Ảnh hưởng của liều lượng Monome đến hàm lượng hình thành hữu cơ bề mặt (Liều lượng chiếu xạ: 8 Mrad)
| KHÔNG. | A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 |
| Lượng bổ sung monome % | 0 | 1 | 2 | 3 | 5 | 10 |
| Hàm lượng hình thành hữu cơ G% | 0 | 1 | 1.7 | 2.5 | 3.4 | 6.7 |
2.2 Cấu trúc và tính chất bề mặt của canxi cacbonat biến tính
2.2.1 Phổ hồng ngoại của canxi cacbonat biến tính
Hình 2 cho thấy phổ hồng ngoại của canxi cacbonat chưa biến đổi, canxi cacbonat đã biến đổi, acrylamide và polyacrylamide.
Bằng cách so sánh quang phổ trong Hình 2, có thể đưa ra những quan sát sau:
(1) Polyacrylamide và canxi cacbonat biến tính không có sự hấp thụ ở khoảng 1600 cm⁻¹. Nó tương ứng với đỉnh liên kết đôi của acrylamide.
(2) Một đỉnh hấp thụ amit đặc trưng xuất hiện ở 1658 cm⁻¹ trong canxi cacbonat biến tính, cũng có trong quang phổ polyacrylamid.
Ngoài ra, đỉnh hấp thụ gần 1425 cm⁻¹ dịch chuyển đến khoảng 1443 cm⁻¹.
Những hiện tượng này xác nhận rằng acrylamide đã phản ứng với bề mặt CaCO₃, cho thấy có sự tương tác hóa học rõ ràng giữa acrylamide và canxi cacbonat.
Hình 2 Phổ hồng ngoại của canxi cacbonat biến tính được chiếu xạ
2.2.2 Tính chất bề mặt của canxi cacbonat biến tính
Hình 3 minh họa góc tiếp xúc và tốc độ hấp thụ dầu của CaCO₃ biến tính ghép và chiếu xạ trong parafin lỏng.
Có thể thấy rằng khi hàm lượng hữu cơ bề mặt (G%) của CaCO₃ tăng lên, tỷ lệ hấp thụ dầu tăng đáng kể trong khi góc tiếp xúc giảm xuống. Điều này cho thấy sự cải thiện đáng kể về tính ưa dầu, giúp tăng cường sự phân tán của các hạt độn trong ma trận polyme. Nó cũng tăng cường sự tương tác giữa các hạt độn và các phân tử polyme, do đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống composite được lấp đầy.
Hình 3: Góc tiếp xúc và tỷ lệ hấp thụ dầu của canxi cacbonat biến tính được chiếu xạ
2.2.3 Khối lượng riêng và kích thước hạt của canxi cacbonat biến tính
Bảng 2 cho thấy mối quan hệ giữa kích thước hạt trung bình và khối lượng riêng của canxi cacbonat biến tính và hàm lượng hữu cơ bề mặt của nó.
Khi hàm lượng hữu cơ trên bề mặt CaCO₃ tăng, mật độ khối giảm, trong khi kích thước hạt trung bình tăng nhẹ. Sự hiện diện của nhiều thành phần hữu cơ hơn làm giảm độ phân cực bề mặt của CaCO₃, làm suy yếu tương tác giữa các hạt và sự kết tụ, khiến các hạt được đóng gói lỏng lẻo hơn.
Đồng thời, độ phân cực giảm làm giảm sức căng giao diện giữa CaCO₃ và parafin lỏng, dẫn đến góc tiếp xúc nhỏ hơn.
Bảng 2: Kích thước hạt và khối lượng riêng của CaCO₃ biến tính
| KHÔNG. | A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 |
| Nội dung cấu trúc hữu cơ | 0 | 1 | 1.7 | 2.5 | 3.4 | 6.7 |
| Kích thước hạt trung bình, µ | 4.7 | 5.0 | 5.1 | 5.2 | 5.2 | 5.8 |
| Mật độ xếp chồng g/cm³ | 0.33 | 0.30 | 0.30 | 0.28 | 0.28 | 0.27 |
3. Kết luận
Đối với việc biến tính bề mặt canxi cacbonat bằng chiếu xạ, có những kết luận sau đây.
1. Chiếu xạ trước bằng chùm tia điện tử có thể tạo ra lớp phủ hữu cơ trên bề mặt canxi cacbonat, chuyển đổi tính chất của nó từ ưa nước sang ưa dầu. Điều này làm giảm đáng kể sức căng giao diện với parafin lỏng và giảm góc tiếp xúc. Do đó, khả năng tương thích của CaCO₃ biến tính bằng chiếu xạ với vật liệu polyme được cải thiện đáng kể.
2. Sự hình thành vật chất hữu cơ trên bề mặt CaCO₃ chịu ảnh hưởng của một số yếu tố, bao gồm liều lượng chiếu xạ, liều lượng monome trong quá trình xử lý trước và thời gian chiếu xạ.
3. Phản ứng ghép chiếu xạ chủ yếu tuân theo cơ chế phản ứng gốc tự do.
Giới thiệu về Epic Powder Machinery
Máy móc bột Epic là nhà sản xuất hàng đầu về thiết bị chế biến bột siêu mịn, với nhiều thập kỷ kinh nghiệm trong công nghệ nghiền chính xác, phân loại và sửa đổi bề mặt. Chúng tôi cung cấp các giải pháp tùy chỉnh cho việc sửa đổi chiếu xạ canxi cacbonat và các ứng dụng vật liệu tiên tiến khác. Với R&D nội bộ và chất lượng tiêu chuẩn Châu Âu, Epic Powder là đối tác đáng tin cậy của bạn để cải thiện hiệu suất vật liệu và hiệu quả sản xuất.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để tìm hiểu thêm về cách các giải pháp của chúng tôi có thể nâng cao nhu cầu xử lý bột của bạn.
