炭酸カルシウム 炭酸カルシウムは、重要かつ広く使用されている化学原料です。ゴム、製紙、インク、コーティング、プラスチック、食品、化粧品などの業界で、補強剤や充填剤として広く使用されています。製造方法により、軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム、ナノ炭酸カルシウムに分類されます。炭酸カルシウムの改質は、その性能を向上させ、様々な産業用途に適応させるために不可欠です。
軽質炭酸カルシウム沈降炭酸カルシウムとも呼ばれる重質炭酸カルシウムは、化学処理法を用いて製造されます。重質炭酸カルシウムは、重質炭酸カルシウムとも呼ばれ、天然の石灰岩、方解石、チョークを機械的に粉砕して製造されます。重質炭酸カルシウムと軽質炭酸カルシウムでは粒子径や表面特性が異なるため、性能にばらつきがあります。ナノ炭酸カルシウムとは、粒子径が1～100nmの炭酸カルシウム製品を指し、超微粒子製品や超超微粒子製品も含まれます。
なぜ変更が必要なのでしょうか?
表面改質 炭酸カルシウムの応用性能を高め、適用範囲を広げ、市場用途を拡大するには、表面改質が不可欠です。今後、炭酸カルシウム開発においては、機能化と特化が主なトレンドとなるでしょう。改質により、炭酸カルシウムの吸油量を低下させ、分散性を向上させて凝集を防止できます。また、炭酸カルシウムと有機マトリックスとの相溶性を高め、製品価値を高めることができます。これは、ハイエンド用途市場の拡大に有利です。様々な表面改質された特殊炭酸カルシウム製品の需要は、今後も増加し続けるでしょう。
修正方法の概要
重質炭酸カルシウムの改質方法
物理的コーティング改質：
物理的コーティング改質は、改質剤を重質炭酸カルシウムと一定の割合で混合する工程です。分散力の作用下で、改質剤はファンデルワールス力や静電引力などの物理的な力によって重質炭酸カルシウムの表面に吸着されます。このプロセスにより、表面に単層、二重層、または多層コーティングが形成されます。
表面化学改質：
表面化学改質とは、改質剤が重質炭酸カルシウム粒子の表面の活性部位に化学的に反応、または化学吸着するプロセスを指します。改質剤分子内の官能基は炭酸カルシウムの表面と相互作用します。その結果、改質剤が重質炭酸カルシウムの表面をコーティングし、重質炭酸カルシウムと有機マトリックスとの相溶性と分散性が向上します。その結果、複合材料の加工性および物理的・機械的特性が向上します。
機械的力化学修飾：
機械力による化学修飾は、粉砕や摩擦などの機械的手段を用いて重炭酸カルシウム粒子の格子に変位を引き起こし、結晶構造を変化させる。同時に、系の温度が上昇し、内部エネルギーが増加する。
重質炭酸カルシウムの工業生産では、粉砕と表面改質は通常別々に行われます。しかし、粉砕工程中に改質剤を添加すると、粉砕の機械力を利用して表面改質効果を高めるだけでなく、炭酸カルシウム粒子が過度に微細化することによる凝集を防ぐことができます。
表面堆積改質：
表面沈着改質は、適切な方法を用いて改質剤を表面に沈着させることを含む。 重炭酸カルシウムこれは、無機鉱物顔料の表面改質に最も一般的に使用される方法の1つです。
この方法はシンプルなプロセスフローのため、工業生産に適しています。反応条件を制御することで、適切な粒子サイズと純度を実現できます。
軽質炭酸カルシウム改質法
脂肪酸（塩）の修飾：
ステアリン酸（塩）は、炭酸カルシウムの表面改質剤として最も一般的に使用されています。改質プロセスは乾式法と湿式法で行われ、湿式法ではステアリン酸ナトリウムなどのステアリン酸塩が使用されます。
ステアリン酸（塩）の他に、リン酸塩やスルホン酸塩などの他の脂肪酸（エステル）も使用できます。
研究によると、炭酸カルシウムを特殊な高分子リン酸エステル（ADDP）で修飾すると、表面が疎水性と親油性に変化し、油中の平均凝集粒子径が小さくなることが示されています。
脂肪酸（塩）で処理した改質炭酸カルシウムは、主にPVCプラスチック、ケーブル材料、接着剤、インク、コーティングの充填に使用されます。
カップリング剤改質：
カップリング剤は、炭酸カルシウム表面の水酸基と化学結合する両親媒性化合物です。カップリング剤の極性基は炭酸カルシウム粒子の官能基と反応し、安定した化学結合を形成します。カップリング剤のもう一方の末端は、有機ポリマーと化学的または物理的に反応し、異なる極性を持つ2つの材料を強固に結合させます。これにより、良好な相溶性が確保され、複合材料の物理的・機械的特性が向上します。
カップリング剤は、その構造に基づいて、シラン、チタン酸塩、アルミン酸塩、チタン酸塩-アルミン酸塩、ジルコニウムアルミン酸塩、および錯体に分類できます。
ポリマー改質：
炭酸カルシウムのポリマー表面改質は、有機相または無機相（システム）における安定性を向上させることができます。これらのポリマーには、オリゴマー、高分子、そしてポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリマレイン酸、ポリアクリル酸、アルコキシスチレン-スチレンスルホン酸共重合体、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの水溶性ポリマーが含まれます。
プラズマおよび放射線改質：
アルゴン（Ar）と高純度プロピレン（C3H6）の混合ガスをプラズマ処理ガスとして用いた誘導結合プラズマ放電システムを用いて、重質炭酸カルシウム（1250メッシュ）粉末の低温プラズマ改質を行った。その結果、Ar-C3H6混合ガスで処理した炭酸カルシウムフィラーは、ポリプロピレン（PP）との界面接着性が向上することが示された。
ナノ炭酸カルシウム改質法
局所化学反応の改変：
局所化学反応改質法では、処理剤（カップリング剤、有機物、無機物など）を添加する。ナノ炭酸カルシウム表面の官能基が処理剤と反応することで改質が達成される。この方法は、ナノ炭酸カルシウムの表面改質において最も広く用いられている。
主なプロセスは乾式法と湿式法の2つです。乾式法では、ナノ炭酸カルシウム粉末と表面改質剤を改質剤に順次添加します。この方法は、カップリング剤を用いた表面改質に適しています。
表面コーティング改質：
表面コーティング改質とは、ナノ炭酸カルシウム粒子をファンデルワールス力または物理的手法によってコーティング材料に結合させる方法です。ナノ炭酸カルシウムの調製溶液に表面改質剤または超分散剤を添加します。ナノ炭酸カルシウムの製造過程において、表面改質剤が炭酸カルシウムの表面をコーティングし、最終製品は均一な粒子として存在します。
マスターバッチフィラー改質：
マスターバッチフィラーは、樹脂マスターバッチ、炭酸カルシウム、界面活性剤を一定の割合で混合して作られる新しいタイプのフィラーです。このプロセスにより、マスターバッチフィラーを製造する際に炭酸カルシウムの表面が改質されます。一般的なマスターバッチフィラーには、ポリエチレンワックス炭酸カルシウムマスターバッチ、不規則ポリプロピレン炭酸カルシウムマスターバッチ（APPマスターバッチ）、樹脂炭酸カルシウムマスターバッチフィラーなどがあります。
高性能表面改質：
この方法では、プラズマまたは高エネルギー放射線（X線やγ線など）を用いて改質を行います。CaCO3粉末のプラズマ表面改質は、主にプラズマ重合技術を用いて行われます。まず、モノマーを活性化して気相フリーラジカルを生成します。
これらのラジカルは固体表面に吸着して表面フリーラジカルとなり、プラズマまたは気相モノマーと重合反応を起こします。これにより炭酸カルシウムの表面にポリマー膜が形成され、改質が達成されます。
結論
要約すると、表面改質は、炭酸カルシウムの用途性能の向上、有用性の拡大、そして市場需要の拡大に不可欠な方法です。表面改質により、炭酸カルシウムは従来の充填剤から多機能改質剤へと変化し、より幅広い用途と高い人気を獲得します。
今後、炭酸カルシウムの発展においては、機能化と専門化が主要なトレンドとなり、製品構成も大きく変化するでしょう。ナノ炭酸カルシウム、超微粒子炭酸カルシウム、医療用・食品用炭酸カルシウム、そして様々な表面改質特殊炭酸カルシウム（天然ゴム、合成ゴム、コーティング材、PVC/PP/ABS樹脂用など）といったハイエンド製品の市場需要は拡大するでしょう。これらの高付加価値炭酸カルシウム製品の品質は、企業の存続と発展の鍵となることは間違いありません。
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