[发明专利]一种具有核壳结构的表面改性纳米碳酸钙及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合粒子及其制备方法，特别是一种具有核壳结构的纳米碳酸钙/丙烯酸酯类复合粒子及其制备方法。

背景技术

自20世纪80年代起，纳米碳酸钙由于优异的物化性能、资源丰富和价格低廉等特点而广泛应用于填充改性塑料。但纳米碳酸钙在产业化应用中仍受到限制：一方面碳酸钙粒子因高表面能极易自身团聚；另一方面碳酸钙粒子表面亲水疏油，与塑料基体相容性差。对纳米碳酸钙进行表面改性研究，提高其在基体材料中分散性和相容性，从而有利于扩大纳米碳酸钙的应用领域。

纳米碳酸钙表面处理的主要方法包括表面活性剂改性和聚合物表面处理等。表面活性剂改性方法因成本低，生产能力大成为目前最为广泛应用的碳酸钙表面改性工业技术。如专利文献CN103003371、CN103748282、CN102492310提出用廉价的脂肪酸(盐)类和磷酸酯类两大类表面活性剂对纳米碳酸钙粒子进行表面改性。但往往表面活性剂与纳米碳酸钙间作用力较弱，特别是在剪切力的作用下改性层易被破坏，导致碳酸钙在加工过程中再次团聚，降低材料机械性能。大量研究表明，如专利文献CN103224648、CN102199259、CN103421142，采用聚合物表面处理纳米碳酸钙可以很好地避免上述问题。聚合物表面处理主要有以下方法：一是在纳米碳酸钙表面原位合成聚合物，需经常用到有机溶剂和大量稳定剂，易造成生产成本的大幅上升和环境污染；二是在将纳米碳酸钙与聚合物溶液直接混合，高聚物薄膜层直接包覆在纳米碳酸钙表面，但因聚合物体系粘度较大，容易将纳米团聚体整个包裹，使碳酸钙分散难度增大。所以设计一种包覆效果好、环境友好且工艺简单的聚合物表面处理的方法对于扩大纳米碳酸钙的应用领域至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米碳酸钙/丙烯酸酯类聚合物的复合核壳结构粒子和其制备方法，以克服现有技术存在的缺陷。

所述的复合核壳结构纳米碳酸钙粒子，表面均匀包覆丙烯酸酯类聚合物，在基体材料中具有良好的分散性和相容性。

所述的纳米碳酸钙的表面改性方法是指先用脂肪酸对纳米颗粒进行表面改性，通过以醇水为溶剂的环境友好型沉淀聚合法对纳米颗粒进行包覆。

本发明的具体技术方案如下：

一种具有核壳结构的表面改性纳米碳酸钙，所述表面改性纳米碳酸钙具有如下结构：在纳米碳酸钙表面均匀包覆丙烯酸酯类聚合物层；包括如下组分：纳米碳酸钙50～90wt％，脂肪酸1～10wt％，引发剂0.025～0.36％，丙烯酸酯类聚合物层5～40wt％；

所述纳米碳酸钙的粒径为20～100nm；

所述丙烯酸酯类聚合物层包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸丁酯中一种或几种的聚合物。

所述具有核壳结构的表面改性纳米碳酸钙的制备方法，首先，用脂肪酸对纳米颗粒进行表面改性；然后，加入丙烯酸酯类单体，通过沉淀聚合法对纳米颗粒进行包覆，调节反应参数，得到具有核壳结构的表面改性纳米碳酸钙。

具体步骤如下：

(1)将脂肪酸和纳米碳酸钙加入去离子水中，调节转速为600～1000rpm，于40～70℃下反应4～8小时；过滤后在70℃下干燥3～5小时得到粉料，再用有机溶剂抽提所述粉料并离心，干燥后得到改性纳米碳酸钙；

(2)将所述改性纳米碳酸钙加入预溶解有分散剂的醇水溶剂中，超声分散0.5～1小时，然后加入引发剂、聚合物单体，加热搅拌，控制反应温度为50～80℃，搅拌反应15～24小时，反应结束后用去离子水进行多次洗涤离心，得到的产物在30～45℃下真空干燥24小时，即得具有核壳结构的纳米碳酸钙粉末；

步骤(1)中所述脂肪酸和纳米碳酸钙的质量比为1：5～90；所述纳米碳酸钙和去离子水的质量比为1：10～20；所述有机溶剂为甲苯、丙酮或无水乙醚；

步骤(2)中所述述分散剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮，加入量为聚合物单体的质量百分比为10～20％；所述醇水溶剂中水与乙醇的体积比为5：1～20；

所述引发剂为偶氮类引发剂，加入量为聚合物单体质量的0.5～0.9％。

所述脂肪酸为油酸或硬脂酸。当所述脂肪酸为油酸时，还需要同时加入氨水，所述氨水和油酸的质量比为1：1～50。

所述丙烯酸酯类单体是甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸丁酯中一种或几种。