Calcium carbonate has attracted a lot of interest over the centuries. Nowadays, mainly as mineral pigment and filler, it has a wide use in technological applications ranging from paper, construction, polymers, and environmental solutions to consumer goods. Amongst these uses, the filler pigment is required to display either hydrophilicity (for applications in aqueous colloidal systems, including, for example, in paper and emulsion paints), or, in contrast, oleophilicity (for applications in contact with oil-based systems, such as plastics and volatile solvent-containing sealants).  To achieve oleophilicity, and resulting hydrophobicity, the filler is surface treated, typically using carboxylic fatty acids. In this thesis, effects of humidity and fatty carboxylic acids vapor on CaCO3 surface wettability and nanomechanical properties were studied, with the aim to gain knowledge on layer packing density and order, as well as resistance to water exposure and mechanical wear. A better understanding of the dynamic nature of the calcite surface presented in this work allows the industry to increase sustainable control over materials production and storage.

First, a setup combining an atomic force microscope (AFM) with a humidifier was used to map nanomechanical properties of growing surface domains (hydrated form of CaCO3) formed by ion dissolution, diffusion, and redeposition, a process that is not reversible upon drying. Secondly, AFM and contact angle goniometer measurements showed that the stability of the calcite surface improves with increasing carboxylic acid chain length (C2 to C18). Meanwhile, X-ray photoelectron spectroscopy and vibrational sum frequency spectroscopy techniques demonstrated that a coherent layer with maximum packing density of carboxylate and carboxylic acid species was achieved with the use of stearic acid (C18) with high enough vapor pressure and exposure time. The AFM images successfully visualized that a complete C18 monolayer is capable of countering nano-wear of the calcite surface despite the humidity (under the range of loads investigated in this work) and the layer has self-healing properties, while calcite displayed high abrasive wear. Further, when calcite coated by a highly packed monolayer of C18 was covered with a water droplet, a large contact angle hysteresis resulted in a coffee ring effect (CRE). That is leading to formation of hillocks at the contact line consisting of dissolved fatty carboxylic acid and possibly calcium bicarbonate Ca(HCO3)2 molecules transported from the bare calcite region that also is created next to the droplet edge. Interestingly, C18 coated calcite remained considerably more stable in the case where a water droplet saturated with octanoic acid was used instead of water; thus, it was concluded that the CRE can be contained via reduction of the liquid surface tension and contact angle hysteresis.

Kalciumkarbonat har varit ett intressant material under flera århundraden. Nu för tiden har det tillämpningar inom en rad områden, främst som mineralfyllmedel, exempelvis i papper, polymerer och miljövänliga konsumtionsvaror. Bland dessa användningsområden behöver fyllmedelspigmentet uppvisa antingen hydrofilicitet (för tillämpningar i vattenhaltiga kolloidala system, inklusive, till exempel i papper och emulsionsfärger) eller, i motsats, oleofilicitet (för tillämpningar i kontakt med oljebaserade system, till exempel plaster och flyktiga lösningsmedelshaltiga tätningsmedel). För att uppnå oleofilicitet och resulterande hydrofobicitet ytbehandlas fyllmedlet, vanligtvis med användning av fettsyror. I den här avhandlingen studerades främst effekter av luftfuktighet och fettsyror med avseende på vätning och ytans nanomekaniska egenskaper, med målet att förstå adsorberade skikts packningstäthet och arrangemang samt skiktens resistens mot vattenexponering och mekanisk nötning. Den bättre förståelsen för den dynamiska naturen hos kalcitytan som presenteras i det här arbetet gör det möjligt att förbättra hållbarhetsaspekter vid materialets produktion och lagring. 

Först användes ett atomkraftsmikroskop (AFM) i kombination med en luftfuktare för att utröna nanomekaniska egenskaper hos växande domäner av hydratiserad CaCO3 som bildas genom upplösning av ytan, diffusion och återdeposition, en process som inte är reversibel när luftfuktigheten minskar. Sedan visade resultat från AFM och kontaktvinkelgoniometri att stabiliteten hos kalcitytan ökar med ökande kedjelängd hos adsorberade fettsyror (C2 till C18). Därutöver demonstrerade resultaten från röntgenfotoelektronspektroskopi och vibrationssumfrekvensspektroskopi att ett heltäckande skikt av stearinsyra (C18), i protonerad och deprotonerad form, med maximal packningstäthet kunde erhållas via deposition från gasfas om ångtrycket och adsorptionstiden var tillräckliga. AFM-studier visade att ett heltäckande C18 monoskikt motverkar nötning på nanonivå även vid hög luftfuktighet (under de pålagda krafter som användes i studierna) och att det adsorberade skiktet har en viss självläkande förmåga. Ren kalcit däremot undergår signifikant nötning under motsvarande förhållanden. Dessutom, när en kalcityta täckt med ett tättpackat monolager av C18 kom i kontakt med en vattendroppe visade sig kontaktvinkelhysteresen vara stor, vilket resulterade i en kafferingseffekt (CRE) som gav upphov till en deponering vid trefaslinjen. Det deponerade materialet består av upplöst fettsyra och möjligen kalcium bikarbonat Ca(HCO3)2 som transporterats från ett område av ren kalcit som också bildas i närheten av droppkanten. Intressant nog var den C18-täckta kalcitytan väsentligt mer stabil under en droppe av vatten mättad med oktansyra, vilket gör att vi kan dra slutsatsen att CRE kan motverkas när vätskans ytspänning och kontaktvinkelhysteresen minskas.