重質(zhì)碳酸鈣是涂料中的主要顏料，碳酸鈣的分散在造紙涂料制備中非常重要。 其團(tuán)聚機(jī)理、分散 機(jī)理及分散效果評(píng)價(jià)是獲得穩(wěn)定分散顆粒的理論基礎(chǔ)。 重質(zhì)碳酸鈣的團(tuán)聚機(jī)理可從吸引力、靜電排斥力和空間位阻力三者之和分別計(jì)算求得， 和為正，則團(tuán)聚少，和為負(fù)，顆粒必定團(tuán)聚。
一、重質(zhì)碳酸鈣分散機(jī)理
根據(jù)顆粒團(tuán)聚機(jī)理，碳酸鈣分散穩(wěn)定過程 主要有三種穩(wěn)定作用：靜電穩(wěn)定作用、空間位阻穩(wěn) 定作用和靜電位阻穩(wěn)定作用。
靜電穩(wěn)定作用的理論基礎(chǔ)為雙電層排斥理論， 當(dāng) Zeta 電位的絕對(duì)值較大時(shí)，微細(xì)顆粒間的靜電斥 力占優(yōu)勢(shì)，不易團(tuán)聚，分散體系穩(wěn)定;相反，當(dāng) Zeta電位的絕對(duì)值較小或?yàn)榱銜r(shí)，顆粒間的范德華引力 占優(yōu)勢(shì)，容易團(tuán)聚，分散體系不穩(wěn)定。 分散體系中電 解質(zhì)種類、濃度和體系的 pH 值是顆粒表面 Zeta 大小的決定因素， 所以調(diào)節(jié)分散體系的 pH 值或選用 適當(dāng)電解質(zhì)及濃度可提高顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性。
空間位阻作用是粒子表面一層吸附物質(zhì)對(duì)互相靠近的粒子可以提供一種立體阻礙的能力。 一些 強(qiáng)烈親水性物質(zhì)如淀粉、纖維素衍生物、蛋白質(zhì)均 能吸附于粒子表面，保護(hù)顆粒分散穩(wěn)定性。 另外一 些高分子表面活性劑也有很好的顆粒分散穩(wěn)定作 用，即空間位阻穩(wěn)定理論。 該穩(wěn)定作用認(rèn)為，高分子 聚合物具有疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)，疏水基團(tuán)吸附到 顆粒表面，親水基團(tuán)伸入水相介質(zhì)中。 當(dāng)兩顆?？?近時(shí)，高聚物吸附層被壓縮，引起體系自由能增加， 從而產(chǎn)生斥力勢(shì)能。 此外，吸附層重疊和相互穿透，也會(huì)使重疊區(qū)高分子濃度增高，并形成滲透壓而產(chǎn) 生斥力勢(shì)能，使顆粒達(dá)到分散的目的。但一個(gè)高分 子鏈吸附到多個(gè)粒子表面會(huì)引起粒子的聚沉。
靜電位阻穩(wěn)定作用是最近提出的一種穩(wěn)定機(jī)理，是前兩種穩(wěn)定作用的結(jié)合。 微細(xì)顆粒表面吸附 了一層可電離的聚合物（ 即聚電解質(zhì)） 后，帶電的聚 合物分子層既通過本身所帶的電荷排斥周圍的粒 子，增加 Zeta 電位，又利用位阻效應(yīng)防止兩顆粒靠 近，產(chǎn)生復(fù)合穩(wěn)定作用。
總之，碳酸鈣懸浮液中粒子的穩(wěn)定性主要取決 于粒子之間的基于范德華吸引力與靜電排斥力的 相互作用能。 粒子之間的相互排斥作用越大則越 有利于粒子的分散穩(wěn)定。 另外空間位阻也起一定作用。 如何充分利用這兩種作用是保持顆粒分散穩(wěn)定的關(guān)鍵。
基于雙電層機(jī)理的靜電穩(wěn)定作用已得到廣泛研究和運(yùn)用，在這不多說。 而空間位阻作用較復(fù)雜， 并不能只增加吸附量，或增加分子量，來增加吸附層厚度，就達(dá)到擴(kuò)大位阻作用的目的。 充分利用空間位阻作用較難，如果只考慮吸附量來增大空間位阻位能，會(huì)造成顆粒分散效果的紊亂。
空間位阻是由于顆粒的吸附作用，表面活性劑的特殊構(gòu)型在此得到應(yīng)用。 用于空間位阻作用的表面活性劑分為陰離子型、陽離子型、兩性型和非離子型。 陰離子表面活性劑具有一個(gè)相對(duì)大的、負(fù)電荷的疏水基團(tuán)， 親水基團(tuán)通常為堿金屬磺酸鹽基團(tuán)，或堿金屬硫酸鹽基團(tuán)，另外還有堿金屬羧酸鹽及磷酸鹽類。
與陰離子表面活性劑相反，陽離子表面活性劑的特點(diǎn)是具有一個(gè)相對(duì)大的正電荷的疏 水基團(tuán)，通常圍繞五價(jià)氮構(gòu)成，如季銨化合物，多用于非水性或酸性水體系，置換顆粒表面吸附的氣體和水分。 兩性表面活性劑隨體系 pH 值不同而呈現(xiàn)陰離子或陽離子表面活性劑的功能， 總體用量不多。
非離子表面活性劑在水中不電離，只通過分子中的氧形成氫鍵與水親合，親水部分是含有羥基及/或醚鍵的物質(zhì)，也存在更弱的酯鍵和酰胺鍵。 除陰離子型表面活性劑外， 吸附于顆粒表面的力均較弱，形成吸附層有限。 所以顏料的分散劑常常是聚電解質(zhì)型的陰離子表面活性劑，因?yàn)轭伭狭Ｗ訉?duì)離子的吸附是電性吸附，吸附力強(qiáng)。 這種聚合物分子量增大還可提高分散作用， 這一趨勢(shì)有一上限，如聚丙烯酸鹽含單體量在12～18 間達(dá)到最佳分散作 用，繼續(xù)增大分子量使吸附分子在顆粒表面所占 面積太大而導(dǎo)致分散效果弱化。
在納米顆粒分散研究中， 由于顆粒極其細(xì)小， 表面張力巨大，所有降低顆粒表面張力的物質(zhì)都將成為有效的分散劑，非離子表面活性劑的分散穩(wěn)定作用得到重視。 非離子型表面活性劑依靠某些官能團(tuán)與粒子表面形成氫鍵而吸附，如 PEG（ 聚乙二醇），不但在 ZnO 納米粒子上吸附，也可在作為球形 ZrO2 粉體分散劑。 但造紙涂料用重質(zhì)碳酸鈣粒度主體不在納米級(jí)， 這種吸附對(duì) GCC 的參照性不大。 要注意的是，顆粒表面希望吸附量多，在調(diào)節(jié)分子鏈長度，以增強(qiáng)對(duì)固體粒子表面的吸附時(shí)，不但要防止分子量太大導(dǎo)致的顆粒絮聚，同時(shí)要防止其 對(duì)自由水的吸收導(dǎo)致黏度增加， 對(duì)尋求低黏度的GCC 分散不利。
靜電穩(wěn)定作用原理在分散重質(zhì)碳酸鈣得到廣泛運(yùn)用，如聚丙烯酸鹽。 但在空間位阻的機(jī)理方面了解還不全面，影響了助劑的選擇和運(yùn)用。
二、重質(zhì)碳酸鈣分散效果評(píng)價(jià)
造紙涂料用 GCC 顏料是由重質(zhì)碳酸鈣經(jīng)干磨 到 10μm 后，由濕磨微細(xì)化制成，分散過程有二種情況，一是研磨過程加入分散劑，直接以漿料為成品供貨；二是研磨完成后再干燥/壓濾，以粉料/濾餅為成品供貨， 配制涂料時(shí)需加入分散劑重新分散。 無論是哪種分散，最后都以穩(wěn)定的分散漿料投入使用。 如何科學(xué)地表征分散劑的分散性能， 目前尚無 統(tǒng)一的方法。 傳統(tǒng)的方法是以顏料分散液的重力沉降行為和分散液的黏度來評(píng)價(jià)分散劑的分散效率， 后來又提出 Zeta 電位及微粒粒徑測(cè)量方法。 以下分別說明：
2.1 沉降體積法
分散穩(wěn)定性好的顆粒沉降速度慢，得到的沉降 體積少，分散效率可以依產(chǎn)生沉積物緊密度的相對(duì)能力加以量度。 如將分散液倒入量筒中，靜置一定時(shí)間，觀察沉降物的體積或高度。 但由于沉降過程是重力作用過程，測(cè)量過程耗時(shí)，特別對(duì)一些微及更細(xì)的粒子沉降耗時(shí)更長，現(xiàn)在多采用改良方法如離心沉降方法等。
與沉降體積相關(guān)的另一種評(píng)價(jià)分散穩(wěn)定性方 法是濁度測(cè)量方法，分散液沉降一定時(shí)間后，沉降 顆粒大的粒子快速沉出，較小的粒子則由上而下呈 逐漸增濃的彌散分布， 分散好的懸浮液沉降少，上層清液濁度大，相反，分散不好的體系沉降徹底，上層清液透明清亮。 上層清液的濁度可以反映出顆粒的分散情況。
2.2 分散液黏度法
評(píng)價(jià)顏料分散效率最常用的技術(shù)就是黏度測(cè)量，因?yàn)榉稚┘尤胍痧ざ却蠓冉档?，分散?果好的點(diǎn)認(rèn)為是黏度最低處。 陳金堂等采用黏度 法對(duì)碳酸鈣和瓷土顏料的分散劑用量進(jìn)行研究，得到不同粒徑和不同粒度分布以及經(jīng)過不同預(yù)處理 的干粉顏料粒子的分散劑需要量差別。 但需要注意測(cè)量黏度時(shí)，不能認(rèn)為分散劑用量越多，黏度就越低。 另外需采用不同的剪切速率測(cè)量分散體系的黏度，因?yàn)檩斎塍w系的能量不同，對(duì)顆粒打散分散的能力不同，體系的黏度測(cè)量結(jié)果隨之變化。
2.3 Zeta 電位測(cè)量方法
顆粒分散到水相中，由于顆粒表面帶有一定凈電荷，吸引同等數(shù)量相反電荷，形成 Zeta 電位。 Zeta電位越大，顆粒之間的靜電斥力占優(yōu)勢(shì)，說明分散越穩(wěn)定。 由于是測(cè)量顆粒表面吸附電荷的大小，其值明顯受體系環(huán)境的變化而變化，如 pH 值、電解質(zhì) 濃度和價(jià)鍵等。 用測(cè)量 Zeta 電位方法可以很快得出結(jié)果，但用來評(píng)價(jià)分散穩(wěn)定性，只適應(yīng)于靜電穩(wěn)定 機(jī)理，對(duì)空間位阻穩(wěn)定機(jī)理不適應(yīng)，因而結(jié)果會(huì)產(chǎn)生偏差。
李翔等對(duì)納米碳酸鈣顆粒分散發(fā)現(xiàn)，Zeta 電位受 pH 值及分散劑用量的影響， 分散劑用 量增多并不能使 Zeta 電位絕對(duì)值增大，也就是分散 效果較好的位置并不是 Zeta 電位絕對(duì)值最大點(diǎn)。 葛明橋等對(duì)納米碳酸鈣在水中的分散進(jìn)行了研究， 采用 SDBS（ 十二烷基苯磺酸鈉） 作為分散劑，說明Zeta 電位增加并不能說明分散效果就好，即除雙電層靜電作用外，還有其他因素如空間位阻等明顯影響顆粒的分散性。
2.4 粒度測(cè)量法
將分散好的顆粒經(jīng)稀釋后采用粒度分析儀測(cè)量平均粒徑及粒徑分布。 直接測(cè)量顆粒大小并沒有實(shí)際的意義，且受各種預(yù)處理?xiàng)l件影響。 但在同一樣品的分散效果比較時(shí)，可以發(fā)揮作用。 對(duì)同一樣品，分散穩(wěn)定不但是現(xiàn)有的顆粒再團(tuán)聚少，同時(shí)也是已團(tuán)聚顆粒再分散開并維持穩(wěn)定效果好，因而細(xì)小的顆粒分散效果較好。
以上幾種方法是常用的評(píng)價(jià)顏料分散效果的方法，但在使用過程中很不全面，如黏度法認(rèn)為黏 度最低時(shí)分散效果好，與粒度測(cè)量法中粒度細(xì)小時(shí)分散效果好矛盾，造成困惑。如吳偉強(qiáng)研究研磨碳酸鈣的粒徑分布和黏度的關(guān)系，認(rèn)為粒徑減小時(shí)， 體系黏度增大。 黏度最低時(shí)的分散穩(wěn)定點(diǎn)與 Zeta 電位最大分散穩(wěn)定點(diǎn)不一致。 李建文等也研究了瓷土的分散，文中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)最低黏度值也與 Zeta 電位最高值不對(duì)應(yīng)。 張勇等研究超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣分散性后，數(shù)據(jù)中最低黏度時(shí)的分散劑用量與最小顆粒尺寸下的分散劑用量也不相同，也與 Zeta 電位最大值不一致。
要得到良好的顆粒分散體系，必須采用科學(xué)和準(zhǔn)確的分散穩(wěn)定性評(píng)估方法。 通過以上幾種方法的分析比較認(rèn)為，好的分散穩(wěn)定性評(píng)估方法應(yīng)在宏觀 上能夠真實(shí)地反映液體分散體系的穩(wěn)定情況，微觀上能夠反映出一次分散的顆粒粒度。 也就是宏觀 微觀結(jié)合的評(píng)價(jià)方法具有說服力，選用宏觀的黏度法和微觀的粒度法相結(jié)合，或是宏觀沉降法與微觀粒度法相結(jié)合，單一的宏觀或微觀法都不能表征顆粒的分散效果。
3 結(jié)論
重質(zhì)碳酸鈣是涂料中的主要顏料，碳酸鈣的分散在造紙涂料制備中非常重要。 其團(tuán)聚機(jī)理、分散 機(jī)理及分散效果評(píng)價(jià)是獲得穩(wěn)定分散顆粒的理論基礎(chǔ)。 重質(zhì)碳酸鈣的團(tuán)聚機(jī)理可從吸引力、靜電排斥力和空間位阻力三者之和分別計(jì)算求得， 和為正，則團(tuán)聚少，和為負(fù)，顆粒必定團(tuán)聚。
顆粒分散機(jī)理也與此三種力相關(guān)，主要是靜電排斥機(jī)理、空間位阻機(jī)理和靜電位阻機(jī)理，靜電排斥機(jī)理容易運(yùn)用， 空間位阻位能計(jì)算公式復(fù)雜，利用也較難， 選擇 GCC 分散的合適表面活性劑不容易。
分散顆粒穩(wěn)定性評(píng)價(jià)常用有 4 種， 即黏度法、沉降法、粒度法和 Zeta 電位法。 各種方法在使用過程中產(chǎn)生不一致性，建議采用將黏度法和粒度法相結(jié)合，或沉降法與粒度法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。