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碳酸钙是高分子复合材料中广泛使用的无机填料。在橡胶、塑料制品中添加碳酸钙等无机填料，可提高制品的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性及刚度等，并降低制品成本，但无机填料亲水疏油的表面特性，使其与高分子材料相容性差，因此加工中易形成不规则的聚集体，造成在高聚物内部分散不均匀，从而产生界面缺陷，导致制品的物理机械性能降低。为了克服碳酸钙应用上的自身缺点，改善其与高分子材料的相容性和分散性，使其成为一种功能性补强增韧填充材料，近年来国内外这方面的研究十分活跃。
碳酸钙表面改性方法一般分为偶联剂、有机物表面处理剂、无机物处理剂及综合性表面处理剂等四种。一般认为，表面活性剂或有机酸对填料的表面改性是物理吸附，它可以改善物料的流变性能和加工性能，但对制品的物理力学性能几乎没什么改善。用偶联剂改性不仅可以改善加工性能，而且也可同时改善制品的物理力学性能。
我们采用硬脂酸改性剂对普通轻质碳酸钙进行表面改性，通过物理及化学作用，使碳酸钙表面有机化，从而防止碳酸钙粒子团聚，颗粒以原生粒子状态均匀分布，其中部分以纳米粒子状态存在，因此应用于复合材料加工体系中，不仅能提高分散性和相容性，改善体系流动性及加工性能，而且赋予制品较好的物理机械性能，达到增韧补强的效果。
1 、表面处理方法
将普通轻质碳酸钙烘干至水份0.5%以下，加入高速混合机中，按1.5 %（w）添加硬脂酸改性剂,升温至100℃，搅拌8min出料备用。
1. 1 、 聚氯乙烯(pvc)试样制备
将pvc树脂、复合稳定剂、dop、普通碳酸钙或改性碳酸钙等原料，按配方配料，在高速混合机中充分混合10min出料备用。混合料在双辊炼塑机进行塑炼，软片在165℃下充分塑化6min，硬片在190℃充分塑化8min，制成0.5mm厚的薄片，室温下放着24小时后切割成哑铃形试样备测试。
2 、 结果与讨论
2. 1 、 碳酸钙改性前后微观形态比较
在电子显微镜下，对普通碳酸钙及改性碳酸钙进行颗粒微观形态比较，清楚地看出，普通碳酸钙粒子分布范围广，多以聚集态的形式存在，而改性碳酸钙粒子经表面改性处理，表面能低，不团聚，达到均匀分散，多以原生粒子状态存在，其中部分是以纳米粒子状态存在（粒径小于100nm ），因而它能在pvc树脂中达到较好分散，起到增韧补强作用。
2. 2、碳酸钙改性前后流变性能比较
我们将普通碳酸钙和改性碳酸钙分别按配方混料，室温放置8hr后在ple331型转矩流变仪进行流变实验，结果如表1
表1、流变实验结果*
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名 称
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最大
扭矩/n.m
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平衡
扭矩/ n.m
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塑化
时间/s
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熔融
温度/℃
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普通caco3
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37.4
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25.0
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150
|
187
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改性caco3
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34.3
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24.1
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120
|
186
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*配方：pvc 100份 复合稳定剂 5份 km355p 6 份 普通caco3 或改性caco3 15份
从表1可以看出，加入改性碳酸钙与普通碳酸钙相比，扭矩降低，塑化时间明显缩短，熔融温度下降，塑化速度变快，说明改性碳酸钙与pvc体系相容性好，有利于加工，可提高挤出速度，使制品外观光滑细腻。这是由于改性碳酸钙表面化学键合的改性剂与pvc树脂具有良好相容性，表现出强的内润滑作用，从而削弱了pvc分子间的作用力，使得体系流变性能改变。同时也说明在同等条件下，改性碳酸钙可以增加填充量，也能达到良好的加工性能。
2. 3、pvc试片测试结果比较
我们将普通碳酸钙与改性碳酸钙分别制取硬质、软质试片，在instron4466型万能材料试验机上测试，结果见表2、表3
表2、硬质pvc试片测试结果比较*
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名 称
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屈服强度/mpa
|
断裂强度/mpa
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断裂伸长率/%
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杨氏模量/mpa
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|
普通caco3
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50.835
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21.364
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46.569
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2666.59
|
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改性caco3
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50.835
|
42.456
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103.360
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2740.27
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* 配方：pvc 100份 50.835 复合稳定剂 5份 dop 5份 普通caco3或改性caco3 20份
表3、软质pvc试片测试结果比较*
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名 称
|
屈服强度/mpa
|
断裂强度/mpa
|
断裂伸长率/%
|
杨氏模量/mpa
|
|
普通caco3
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7.09
|
6.91
|
48.7
|
75.7
|
|
改性caco3
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7.11
|
6.92
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109.1
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60.7
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* 配方：pvc 100份 复合稳定剂 5份 dop 50份 普通caco3或改性caco3 120份
从表2、表3可以看出，在同样添加量的情况下，无论pvc硬、软质制品，使用改性碳酸钙，试片的力学性能都明显优于普通碳酸钙，特别是试片的断裂伸长率提高一倍多，而且物料易塑化，不粘辊，表面亮度高，加工性能优良。这是由于普通碳酸钙表面极性强，表面能高，在pvc树脂中易于团聚，不易分散，从而影响制品加工性，并破坏制品的力学性能。而改性碳酸钙表面已有机化改性，表面能显著降低，不易团聚，基本上是以原生粒子状态分散到pvc树脂中，并通过有机改性剂的分子桥架作用，在界面上产生强的粘合作用，而其中部分以纳米状态分散的刚性粒子渗透到pvc树脂三维网络结构中。依据非弹性体增韧改性观点，刚性纳米级碳酸钙粒子表面缺陷少，非配对原子多，与pvc树脂结合牢固，在受到外力作用时，引起基体树脂银纹化吸收能量，发生脆-韧转变，从而避免局部应力集中产生裂纹化，使复合材料达到增韧补强效果，具有较好的力学性能。
3、结论
（1）经硬脂酸改性的碳酸钙与普通碳酸钙相比，颗粒以原生粒子状态均匀分布，不团聚，与pvc树脂有极好的相容性与分散性，能增加填充量，同时达到增韧补强效果。
（2）改性碳酸钙赋予pvc加工体系优良的流变性能，缩短塑化时间，加快熔融，促进塑化，从而提高加工效率，并使制品具有优良的表面性能。
（3）改性碳酸钙填充于硬质、软质pvc制品中，与普通碳酸钙相比，不仅易塑化，不粘辊，加工性能优良，而且制品的断裂强度及断裂伸率明显提高，具有较好的物理机械性能。
4、应用效果
(1)对无机填料具有极强的亲和性，使其得到充分的活化改性，破坏并阻止无机物团聚，从而更加均匀分散到高分子网络中，因而可以提高填料加入量，同时依赖较强的界面键合作用，达到增韧补强的效果。
(2)应用于upvc异型材、管材等硬质制品加工中，能够很好地改善体系各组分的相容性，促进塑化，降低熔体粘度，改善加工流动性，减少糊料现象，提高生产效率。在upvc异型材加工中还能改善制品的冷冲强度和表面性能，提高制品的角焊接强度及断裂伸长率等性能。
(3)应用于pvc电缆料、人造革等软质制品加工中，能够降低体系粘度，促进塑化及改善加工流动性，因而可以大大提高填料用量，同时还能提高制品的拉伸强度，增加韧性，改善表面光泽。
