भारी कैल्शियम कार्बोनेट फिलर्स के सतह संशोधन का परिचय

कैल्शियम कार्बोनेट वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अकार्बनिक भराव पदार्थ है। इसकी उच्च सफेदी, कम लागत और गैर-विषाक्त एवं गैर-जलनशील गुणों के कारण, इसका व्यापक रूप से उद्योगों में उपयोग किया जाता है। प्लास्टिक, रबड़, चिपकने, स्याही, और कोटिंग्सकैल्शियम कार्बोनेट को उसकी निर्माण प्रक्रियाओं के आधार पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है: भारी कैल्शियम कार्बोनेट (भारी कैल्शियम) और हल्का कैल्शियम कार्बोनेट (हल्का कैल्शियम)। भारी कैल्शियम का उत्पादन प्राकृतिक पत्थरों—जैसे कैल्साइट, संगमरमर और चूना पत्थर—से यांत्रिक रूप से पीसकर और वर्गीकृत करके किया जाता है; इसमें अनियमित कण आकार और अपेक्षाकृत व्यापक कण आकार वितरण होता है। दूसरी ओर, हल्का कैल्शियम रासायनिक विधियों द्वारा तैयार किया जाता है, जिससे क्रिस्टल आकारिकी पर नियंत्रण संभव होता है और इसके परिणामस्वरूप महीन कण आकार प्राप्त होते हैं, हालांकि इसकी उत्पादन लागत अधिक होती है।

अवक्षेपित कैल्शियम कार्बोनेट की सतह जल-परीक्षाक और जल-विरोधक होती है, साथ ही इसमें प्रबल ध्रुवीयता भी होती है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बनिक पॉलिमर (जैसे प्लास्टिक, रबर और रेजिन) के साथ इसकी अनुकूलता और जुड़ाव कम होता है। जब इसे प्रत्यक्ष भराव के रूप में उपयोग किया जाता है, तो इसके कण आपस में गुच्छे बनाने लगते हैं, जिससे कार्बनिक मैट्रिक्स में एकसमान फैलाव प्राप्त करना कठिन हो जाता है; इसके अलावा, कमजोर अंतःस्रावी बंधन बल आसानी से अंतःस्रावी दोषों को जन्म देते हैं, जिससे परिणामी मिश्रित सामग्रियों के यांत्रिक गुण प्रभावित होते हैं। कैल्शियम कार्बोनेट के कणों का आकार घटने के साथ-साथ इसकी सतही ऊर्जा बढ़ती जाती है, जिससे गुच्छे बनने की समस्या और भी गंभीर हो जाती है।

इसलिए, उपयोग से पहले सतह का उपचार आवश्यक है, मुख्य रूप से निम्नलिखित को बेहतर बनाने के लिए:

कणों के एकत्रीकरण को रोकने के लिए कणों की सतह ऊर्जा को कम करें।

भारी कैल्शियम कार्बोनेट की सतह जल-प्रेमी से जल-विरोधी में परिवर्तित हो जाती है, जिससे कार्बनिक मैट्रिक्स के साथ इसकी अनुकूलता बढ़ जाती है।

वर्तमान में, भारी कैल्शियम कार्बोनेट को संशोधित करने की प्रमुख विधियाँ शुष्क विधि, आर्द्र विधि और यांत्रिक-रासायनिक विधि हैं। इनमें से, शुष्क विधि वर्तमान में प्रमुख औद्योगिक प्रक्रिया है।
शुष्क विधि में, शुष्क कैल्शियम कार्बोनेट पाउडर को एक उच्च गति वाले नीडर में संशोधक एजेंट के साथ मिलाकर एक विशिष्ट तापमान पर सतह कोटिंग प्राप्त की जाती है। यह प्रक्रिया सरल है और उत्पाद तुरंत तैयार हो जाता है। यह तेल में घुलनशील संशोधकों और बड़े पैमाने पर निरंतर उत्पादन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। गीली विधि से अधिक एकसमान कोटिंग प्राप्त होती है; हालांकि, यह प्रक्रिया अधिक जटिल है और इसमें निर्जलीकरण का चरण आवश्यक होता है। यांत्रिक-रासायनिक विधि में अतिसूक्ष्म पिसाई प्रक्रिया के दौरान संशोधक एजेंट को एक साथ मिलाया जाता है, जिससे पिसाई और संशोधन दोनों एक ही प्रक्रिया में एकीकृत हो जाते हैं।

परिवर्तनकारी कारक का चयन सीधे तौर पर परिवर्तन के परिणामों को प्रभावित करता है; आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले परिवर्तनकारी कारकों में शामिल हैं:

स्टीयरिक एसिड (लवण):

अणु के एक सिरे पर कार्बोक्सिल समूह होता है, जो कैल्शियम कार्बोनेट की सतह पर मौजूद कैल्शियम आयनों के साथ रासायनिक रूप से बंध बना सकता है; दूसरे सिरे पर एक लंबी श्रृंखला वाला एल्किल समूह होता है, जिसकी संरचना एक बहुलक के समान होती है। यह क्रियाविधि एक एकल-बिंदु स्थिरीकरण प्रणाली का निर्माण करती है।
सामान्य तौर पर इसकी मात्रा 1.2% से 1.5% तक होती है, जिससे 95% से अधिक सक्रियण प्राप्त होता है। इसके लाभों में कम लागत और व्यापक उपलब्धता शामिल हैं; हालांकि, इसकी कमियां अपेक्षाकृत कम मजबूती और सतह कोटिंग की मध्यम स्थिरता में निहित हैं। इसमें उपयोग किए जाने वाले प्राथमिक घटक स्टीयरिक एसिड (ऑक्टाडेकेनोइक एसिड) और इसका सोडियम लवण हैं।

टाइटेनेट कपलिंग एजेंट:

भारी कैल्शियम कार्बोनेट की सतह के साथ रासायनिक बंध बनाकर, ये एजेंट मिश्रित प्रणाली की प्रवाह क्षमता और यांत्रिक गुणों को बढ़ाते हैं; हालांकि, इनका पर्यावरण और मानव स्वास्थ्य पर कुछ प्रभाव पड़ता है। इसके प्रमुख उदाहरणों में आइसोप्रोपिल ट्राई(डायोक्टिल पाइरोफॉस्फेट) टाइटेनेट और आइसोप्रोपिल ट्राई(आइसोस्टेरॉयल) टाइटेनेट शामिल हैं।
प्रायोगिक आंकड़ों से पता चलता है कि जब टाइटेनेट कपलिंग एजेंट को 2.0% की सांद्रता पर मिलाया जाता है, तो सक्रियण की डिग्री 97.70% तक पहुंच जाती है और तेल अवशोषण मान घटकर 10.6 ग्राम/100 ग्राम हो जाता है; इसके अलावा, जब इसे पीवीसी में मिलाया जाता है, तो टूटने पर बढ़ाव और प्रभाव शक्ति दोनों में उल्लेखनीय सुधार होता है।

एलुमिनेट कपलिंग एजेंट:

अपने हल्के रंग, गैर-विषाक्तता और उत्कृष्ट ऊष्मीय स्थिरता के कारण, यह कैल्शियम कार्बोनेट की सतह के साथ अपरिवर्तनीय रासायनिक बंध बनाने में सक्षम है। यह उत्पाद की दिखावट और स्वास्थ्य सुरक्षा संबंधी सख्त आवश्यकताओं वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, और मुख्य रूप से आइसोप्रोपिल एल्यूमीनियम बिस (एथिल एसीटोएसीटेट) से बना है।

सिलान कपलिंग एजेंट:

सिलेंस कई प्रकार के होते हैं, जिनमें से सभी भारी कैल्शियम कार्बोनेट की ध्रुवीयता को कम करने और इसके हाइड्रोफोबिक और लिपोफिलिक गुणों को बढ़ाने में सक्षम हैं; हालांकि, कैल्शियम कार्बोनेट के संशोधन में सिलेंस कुछ विशिष्ट कमियां प्रदर्शित करते हैं, विशेष रूप से क्षारीय परिस्थितियों में हाइड्रोलिसिस और स्व-संघनन के प्रति उनकी संवेदनशीलता, साथ ही संबंधित प्रसंस्करण तकनीकों की सापेक्ष जटिलता।
आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सिलानों में γ-अमीनोप्रोपिलट्राइएथोक्सीसिलान (KH-550), γ-ग्लाइसिडॉक्सीप्रोपिलट्राइमेथोक्सीसिलान (KH-560), और γ-मेथैक्रिलॉक्सीप्रोपिलट्राइमेथोक्सीसिलान (KH-570) शामिल हैं।

कंपोजिट मॉडिफायर:

दो या दो से अधिक संशोधकों के संयोजन का उपयोग करने से सहक्रियात्मक प्रभाव प्राप्त हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, स्टीयरिक एसिड को एलुमिनेट या टाइटेनेट के साथ मिलाने से एक संशोधक के अकेले उपयोग की तुलना में बेहतर सक्रियण प्रभाव प्राप्त होता है।

अवक्षेपित कैल्शियम कार्बोनेट की सतह क्षारीय होती है (इसके जलीय निलंबन का pH आमतौर पर 9 से 10 के बीच होता है)। क्षारीय परिस्थितियों में, सिलान युग्मन एजेंट जल अपघटन और स्व-संघनन प्रतिक्रियाओं के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिससे उनके लिए कैल्शियम कार्बोनेट की सतह पर एक समान, मजबूत रासायनिक रूप से बंधित परत बनाना मुश्किल हो जाता है।
हालांकि, इसका अर्थ यह नहीं है कि सिलान कपलिंग एजेंट का उपयोग नहीं किया जा सकता; वास्तव में, कुछ अनुप्रयोगों में सिलान अधिक उपयुक्त विकल्प हो सकते हैं। आमतौर पर, इनका उपयोग स्टीयरेट जैसे योजकों के साथ किया जाता है। कैल्शियम कार्बोनेट की सतही क्षारीयता को कम करने या एक मिश्रित कोटिंग परत बनाने के लिए स्टीयरेट का उपयोग करके, सिलान कपलिंग एजेंट को लगाया जा सकता है, जिससे विशिष्ट रेजिन के प्रति इसकी प्रबल आत्मीयता का लाभ उठाया जा सकता है।