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不做填料，碳酸鈣還能這么用？
超疏水表面因其具有特殊的性能，在防水、防霧、自清潔、抗腐蝕、防覆冰和流動減阻等諸多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，但如何量產(chǎn)低成本、低毒性、易涂覆且耐久性良好的超疏水涂層仍頗具挑戰(zhàn)性。
在自然界中，存在大量機(jī)械性能優(yōu)越且成分簡單的碳酸鈣基材料，引起了科學(xué)家的廣泛興趣。基于對碳酸鈣成核和生長機(jī)理的深入研究，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)生物礦化的調(diào)控，這在防污、抗垢、自清潔以及油水分離等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
固體顆粒接觸角與疏水性的密切關(guān)系
大量研究表明，低表面能和粗糙結(jié)構(gòu)是影響超疏水性能的最主要的影響因素，而這些一直都是碳酸鈣改性技術(shù)主要的研究內(nèi)容。簡單來講，碳酸鈣的改性方向就是降低表面能，保持分散性；增大接觸角，保障疏水性。
一、什么樣的碳酸鈣更適用于功能性涂層？如何改性？實(shí)際效果如何？
古衛(wèi)樂等合成了兩種不同晶型的碳酸鈣粉體，進(jìn)而與低表面能聚二甲基硅氧烷（PDMS）共混，噴涂得到超疏水涂層，并對其自清潔能力和耐沖擊性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)硬脂酸鈉（NaSt）、油酸鈉（NaOL）表面活性劑用量為5%時(shí)，碳酸鈣改性效果最好，疏水性最佳，由5%硬脂酸鈉改性的文石型碳酸鈣接觸角為127.5°，由5%油酸鈉改性的方解石型碳酸鈣接觸角為115.4°。進(jìn)一步研究了不同晶型碳酸鈣的用量對涂層疏水性能的影響，其中方解石型和文石型碳酸鈣涂層接觸角分別為151.4°和153.2°。最后研究了超疏水涂層的自清潔及耐沖擊性能。結(jié)果顯示，經(jīng)過500mL的水滴沖擊試驗(yàn)后，兩種晶型碳酸鈣超疏水涂層接觸角仍保持在140°以上，保持著優(yōu)異的疏水性。
程遠(yuǎn)等采用碳酸鈣晶須（CCWs）和納米碳酸鈣（CCNPs）為填料，通過粉體表面改性、涂料配比優(yōu)化、借鑒涂料施工工藝中“底漆-面漆”和打磨拋光的方法制備了超疏水涂層。研究表明，當(dāng)循環(huán)摩擦15次時(shí)，涂層的接觸角可達(dá)153.88°，滾動角達(dá)9.20°，涂層具有良好的自清潔性能和可人工修復(fù)功能。
二、碳酸鈣功能涂層可以在哪些基材表面應(yīng)用？
1、纖維
基于聚酰胺廢棄纖維的濕法涂層技術(shù)是目前制備商標(biāo)織帶等涂層紡織品的主要手段，也是聚酰胺纖維物理回收利用的重要方式，具有生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品性能優(yōu)良等特點(diǎn)。碳酸鈣是一種廉價(jià)、無毒無害的無機(jī)粉末，作為填料被廣泛用于聚酰胺廢棄纖維的濕法涂層技術(shù)，可增加商標(biāo)織帶表面涂層的厚度、白度及強(qiáng)度。
雷鵬飛等采用油酸原位合成的方法制取涂層用填充劑碳酸鈣，將其應(yīng)用于聚酰胺濕法涂層中，涂層膜的接觸角下降了8.29°，涂層織物的墨跡長度減小了10.42mm，涂層織物的pH值下降至7.27，吸墨性改善，pH值更符合紡織品安全標(biāo)準(zhǔn)。
蔣繼康等采用合成改性劑DOPO接枝改性碳酸鈣，在聚酰胺涂層中實(shí)現(xiàn)了均勻的分散，涂層孔洞結(jié)構(gòu)清晰、蓬松；涂層織物在潮濕環(huán)境下pH為7.02，符合環(huán)保要求，吸墨時(shí)間為89s，墨跡長度為53.4mm，打印條碼清晰無斷裂，評級達(dá)到A級。
陳智杰等采用含硅磷阻燃成分的偶聯(lián)改性劑對碳酸鈣進(jìn)行表面接枝改性以提升分散性并賦予其阻燃功能，并成功在織物上構(gòu)建表面光滑平整的多孔、薄型聚酰胺涂層。研究表明，改性碳酸鈣具有良好的親油性，其所制聚酰胺6涂層織物擁有較好的阻燃效果。
2、混凝土
表面涂層技術(shù)是一種提高混凝土耐久性的有效措施，具有防水、防覆冰和自清潔性能的超疏水涂層是目前的研究熱點(diǎn)之一。
徐華鳳等利用聚多巴胺在混凝土表面誘導(dǎo)碳酸鈣礦化并將銀離子原位還原為納米銀，用以構(gòu)建微納復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，通過低表面能硅烷對其進(jìn)行疏水改性，得到了功能化的碳酸鈣仿生超疏水涂層。結(jié)果表明，在普通環(huán)境和模擬海水環(huán)境中，復(fù)合涂層樣品的體積吸水率相對于未處理樣品分別下降了90.3%、93.44%，表現(xiàn)出良好的防水、抗?jié)B透性能。復(fù)合涂層樣品在砂紙表面反復(fù)摩擦5米等效距離后，涂層的接觸角仍大于140°，其下降幅度僅為6.87%，表現(xiàn)出良好的耐磨性能。
為了提升戶外砂巖建筑的防腐耐污性，文亞萍等通過液相反應(yīng)合成了以碳酸鈣為基底材料，脂肪酸作為疏水改性材料的碳酸鈣基-脂肪酸改性涂層。研究表明，十八酸改性的球霰石碳酸鈣平均晶粒尺寸較大（31nm），砂巖表面粗糙度變化大，疏水角可達(dá)119°，耐污等級為5級，吸水率僅為1.0%，對比未改性涂層處理砂巖樣品，有效的提高了砂巖表面耐污性。
3、玻璃
袁志清等開發(fā)了一種簡單易行的制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）/CaCO3的方法基于超疏水涂層。獲得的涂層可以應(yīng)用于不同的基材，如牛皮紙、載玻片和銅板。涂層涂裝到玻璃基板上并在常溫條件下干燥后，涂層表面的接觸角可達(dá)160°，滑動角度小于3°。剪切試驗(yàn)表明，超疏水性P3涂層具有很高的抗機(jī)械剪切性和粘附性，可以獲得穩(wěn)定的超疏水表面。戶外實(shí)驗(yàn)表明，將硅酮樹脂與硬脂酸改性后的碳酸鈣制備成自清潔涂料，可以保留玻璃板85%以上的透明度，接觸角達(dá)到110°左右，防霧性能也良好，暴露在戶外4個(gè)月，自清潔性基本上沒有被破壞。
4、金屬
目前，墻板材料的自清潔行為非常受人關(guān)注，這種自潔行為通常可以通過構(gòu)建疏水表面來實(shí)現(xiàn)。劉昌洋等將鎂釹合金表面均勻沉積了一層約20微米厚的碳酸鈣膜，提高了合金在含氯離子的模擬混凝土孔隙液中的耐蝕性。采用全氟癸基三乙氧基硅烷對覆膜樣品進(jìn)行化學(xué)改性，可使其具備自清潔能力。
三、結(jié)語
目前，在包裝、餐具、建材、環(huán)保材料、紡織品、涂料、藥品等眾多領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了碳酸鈣功能涂層的應(yīng)用案例。隨著企業(yè)降本增效需求日益迫切，今后碳酸鈣功能性涂層的應(yīng)用必將越來越廣泛，應(yīng)用技術(shù)也將逐步成熟。
參考文獻(xiàn)
古衛(wèi)樂，等：碳酸鈣原位表面改性過程晶型調(diào)控及在超疏水涂層中應(yīng)用研究，湖北大學(xué)
于少康，等：無機(jī)礦物碳酸鈣的仿生礦化調(diào)控及其應(yīng)用研究，燕山大學(xué)
程遠(yuǎn)，等：碳酸鈣晶須復(fù)合納米粒子制備超疏水涂層，中國科學(xué)院大學(xué)
徐華鳳，等：濱海混凝土表面功能化的礦化復(fù)合涂層及耐久性研究，青島理工大學(xué)
文亞萍，等：砂巖保護(hù)材料碳酸鈣的制備及其改性研究，云南大學(xué)
袁志清，等：聚二甲基硅氧烷（PDMS）/CaCO的制備3基于超疏水涂層，湖南工業(yè)大學(xué)
雷鵬飛，等：油酸原位合成碳酸鈣及其在聚酰胺濕法涂層中的應(yīng)用，浙江理工大學(xué)
蔣繼康，等：DOPO-Si改性碳酸鈣的合成及其在聚酰胺濕法涂層中的應(yīng)用，浙江理工大學(xué)
陳智杰，等：硅磷改性碳酸鈣的合成及其在聚酰胺涂層中應(yīng)用
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！來源：中國粉體網(wǎng)
