納米碳酸鈣是一種功能性無(wú)機(jī)填料，廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、油墨、涂料、造紙、膠粘劑、密封膠等領(lǐng)域。

到2024年，全球納米碳酸鈣需求量將超過(guò)4000萬(wàn)噸，其中塑料將成為增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域。

納米碳酸鈣直接用于高分子基質(zhì)中存在2個(gè)缺陷：

（1）分子間力、靜電作用、氫鍵、氧橋等會(huì)引起碳酸鈣粉體的團(tuán)聚；

（2）納米碳酸鈣表面具有親水性較強(qiáng)且呈強(qiáng)堿性的羥基，會(huì)使其與聚合物的親和性變差，易形成團(tuán)聚體，造成在高聚物中分散不均勻，導(dǎo)致2種材料間界面缺陷，無(wú)法體現(xiàn)出納米碳酸鈣的納米效應(yīng)。

納米碳酸鈣的表面改性可分為表面物理作用（包括表面包覆和表面吸附）和表面化學(xué)作用（包括表面取代、聚合和接枝等），其表面改性方法又可分為干法表面改性工藝和濕法表面改性工藝。

1、納米碳酸鈣干法表面改性

納米碳酸鈣常用的表面改性劑為偶聯(lián)劑，其作用機(jī)理是：利用偶聯(lián)劑一端的基團(tuán)與碳酸鈣的表面反應(yīng)，形成強(qiáng)有力的化學(xué)鍵合，而偶聯(lián)劑的另一端可與有機(jī)高分子發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)或機(jī)械纏繞，從而把碳酸鈣和有機(jī)高分子這2種性質(zhì)差異極大的材料緊密結(jié)合起來(lái)。

借助偶聯(lián)劑在納米碳酸鈣表面與有機(jī)高分子材料之間形成分子橋，從而使它們的相容性得到極大改善；此外使用偶聯(lián)劑還可增大填料的用量，改善體系的流變性能。

干法表面改性工藝簡(jiǎn)單，具有配方可靈活掌握以及可以將碳酸鈣表面處理與下游工序串聯(lián)起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。

干法改性工藝中除了要有快速的攪拌以使偶聯(lián)劑快速包覆于每一粒碳酸鈣顆粒、適宜的改性溫度以利包覆反應(yīng)之外，還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是羥基的來(lái)源問(wèn)題。如果碳酸鈣中水分含量較高，則偶聯(lián)劑將先與水反應(yīng)，而不是與碳酸鈣表面的羥基反應(yīng)，這就無(wú)法達(dá)到表面改性的目的。因此，必須保證快速分布、適宜溫度和不含水分這3個(gè)基本條件，才能發(fā)揮出偶聯(lián)劑的作用。

2、納米碳酸鈣濕法表面改性

濕法改性是在碳化增濃后的熟漿溶液中對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性處理，這必須在納米碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)中才能完成。

利用碳酸鈣在液相中比在氣相中更易分散、且加入分散劑后分散效果更好的特點(diǎn)，使碳酸鈣顆粒與表面改性劑分子的作用更均勻。

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，也僅形成結(jié)合力較弱的軟團(tuán)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(tuán)聚現(xiàn)象。

濕法改性工藝比干法改性工藝更加復(fù)雜，表面改性劑的用量也稍多，但在質(zhì)量方面卻具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（3）反應(yīng)性單體、活性大分子及聚合物改性技術(shù)

反應(yīng)性單體是帶有不飽和鍵的小分子羧酸，利用其極性與納米碳酸鈣的作用可以分散納米碳酸鈣；利用其反應(yīng)性（不飽和鍵）可與聚烯烴發(fā)生接枝，形成接枝物，強(qiáng)化納米碳酸鈣與聚合物間的界面作用。反應(yīng)性單體對(duì)納米碳酸鈣表面修飾時(shí)可形成羧酸鹽，而不飽和鍵可為進(jìn)一步接枝包覆提供條件。

活性大分子（帶有可與碳酸鈣表面發(fā)生作用基團(tuán)的大分子）作為納米碳酸鈣表面修飾劑時(shí)，可提高納米粒子表面有機(jī)物包膜的厚度，進(jìn)一步改善其與聚合物基體間的親和性，更有利于納米碳酸鈣在聚合物基體中的分散。

若表面修飾劑上帶有不飽和鍵或其他活性基團(tuán)，聚合物可以接枝或反應(yīng)在納米碳酸鈣表面。采用聚合物對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，可以改進(jìn)碳酸鈣在有機(jī)相中的穩(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(lái)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：

1）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；

2）將聚合物在適當(dāng)溶劑中溶解，然后對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，當(dāng)聚合物逐漸吸附在碳酸鈣顆粒表面上時(shí)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(tuán)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。

（4）等離子體表面改性碳酸鈣

等離子體是一種電離氣體，這些電子、離子、電性粒子的獨(dú)立集合體是物質(zhì)的第4狀態(tài)，具有與化學(xué)鍵相當(dāng)?shù)哪芰俊?/span>

等離子化學(xué)反應(yīng)主要是通過(guò)電子碰撞分子，使之激發(fā)、離解、電離，并在非熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)，低溫等離子技術(shù)已較廣泛應(yīng)用于固體表面改性。

采用頻感應(yīng)耦合放電等離子系統(tǒng)，用惰性氣體和高純反應(yīng)性氣體作為等離子處理氣體，形成氣相自由基并吸附在固體表面，然后和氣相中的單體或衍生單體聚合，在粉體表面形成大相對(duì)分子質(zhì)量聚合物薄膜。

如通過(guò)Ar-C3H4等離子體系處理碳酸鈣用于復(fù)合材料中，材料的抗沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都有明顯提高。輻照處理就是利用紫外、紅外電暈放電等方法對(duì)無(wú)機(jī)粉體表面改性。通過(guò)高能輻照，使粉體表面產(chǎn)生活性點(diǎn)，再加入單體烯烴或聚烯烴進(jìn)行改性反應(yīng)，并形成有機(jī)包膜。如用乙烯基單體經(jīng)輻照處理的碳酸鈣與高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合，材料具有較低的熔體黏度和較好的溫敏性。