納米碳酸鈣的制備及應(yīng)用

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1、納米碳酸鈣的制備及應(yīng)用侯亮(西安文理學(xué)院化學(xué)與化工系，西安，710065)摘要:碳酸鈣是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的一種無機(jī)試劑,也是一種常見的無機(jī)鹽化工產(chǎn)品。近年來對于納米碳酸鈣的制備及應(yīng)用已越來越受到關(guān)注。本文綜述了工業(yè)上制備納米碳酸鈣的主要方法,介紹了納米碳酸鈣在工業(yè)上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:納米碳酸鈣制備應(yīng)用納米碳酸鈣是指粒徑在0～100nm范圍內(nèi)的碳酸鈣產(chǎn)品,它包括超細(xì)碳酸鈣(粒徑0.02～0.1um)和超微細(xì)碳酸鈣(粒徑小于或等于0.02um)兩種碳酸鈣產(chǎn)品[1]，它們是新型高檔功能性填充材料。我國CaCO3資源豐富，分布廣泛，優(yōu)質(zhì)礦床遍及全國各地，CaCO3作為一種優(yōu)質(zhì)填料和白色顏

2、料廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、造紙等許多行業(yè)。1納米碳酸鈣的制備方法1.1物理法物理法制備納米CaCO3是指從原材料到粒子的整個(gè)制備過程沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的制備方法,即對CaCO3含量高的天然石灰石、白堊石等進(jìn)行機(jī)械粉碎而得到納米CaCO3產(chǎn)品的方法。但是用粉碎機(jī)粉碎到1um以下相當(dāng)困難,只有采用特殊的方法和機(jī)械設(shè)備才有可能達(dá)到0.1um以下。采用日本細(xì)川粉體工學(xué)研究所的納米工業(yè)制造系統(tǒng)可以得到平均粒徑為0.5—0.7um的微細(xì)CaCO3。1.2復(fù)分解法復(fù)分解法是指將水溶性鈣鹽[如CaCl2與水溶性碳酸鹽(如(NH4)2CO3或Na2CO3)]在適宜條件下反應(yīng)而制得納米CaCO3的方

3、法。這種方法可通過控制反應(yīng)物濃度及生成CaCO3的過飽和度,并加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?得到球形的、粒徑極小、比表面積很大、溶解性很好的無定形CaCO3。該法可制取純度高、白度好的優(yōu)良產(chǎn)品;但吸附在CaCO3上的大量Cl-很難除盡,生產(chǎn)中使用的傾析法往往需要大量的時(shí)間和洗滌用水。1.3碳化法碳化法是將精選的石灰石煅燒,得到CaO和窯氣,使CaO消化,并將生成的懸浮Ca(OH)2在高剪切力作用下粉碎,多級旋液分離除去顆粒及雜質(zhì),得到一定濃度的精制Ca(OH)2懸浮液;然后通入CO2氣體,加入適當(dāng)?shù)木涂刂苿?碳化至終點(diǎn),得到要求晶型的CaCO3漿液;再進(jìn)行脫水、干燥、表面處理,得到納米

4、CaCO3產(chǎn)品。碳化反應(yīng)過程按二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈣懸浮液接觸方式不同,又分為間歇鼓泡碳化法和連續(xù)噴霧多段碳化法、超重力碳化法。1.4夾套反應(yīng)釜法采用夾套反應(yīng)釜制備納米CaCO3產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是通過夾套可及時(shí)移去反應(yīng)熱,易于實(shí)現(xiàn)低溫碳化反應(yīng),有利于納米CaCO3的生成;通過攪拌,克服了傳統(tǒng)鼓泡塔制得的產(chǎn)品粒度不均勻性,減小了氣泡的體積,增大氣液接觸面積,提高了碳化速度;便于在反應(yīng)中引入各種助劑,及時(shí)均勻地分散在整個(gè)液體中,易控制CaCO3的粒徑和晶形。1.5乳液法乳液法大致可分為兩種:一種是微乳液法,另一種為乳狀液膜法。微乳液法主要利用微乳液中液滴大小可控的特性,將可溶性碳酸鹽與

5、鈣鹽分別溶于組成完全相同的微乳液中,再混合反應(yīng),由于反應(yīng)被控制在較小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,因而可得到納米級碳酸鈣晶粒,再將其與溶劑分離,即得產(chǎn)品。而乳狀液膜法則是利用孔徑為幾個(gè)微米活幾十微米的膜材料作為分散介質(zhì),分散相壓入到連續(xù)相中時(shí),被微小孔膜剪切成微小粒徑的液滴,進(jìn)入連續(xù)相,從而實(shí)現(xiàn)微米尺度的相互混合。乳液法的主要優(yōu)點(diǎn)是控制了反應(yīng)區(qū)域,因而不需晶形控制劑,并且能耗低,氣體利用率高。1.6凝膠法凝膠法是從凝膠的兩端或一端讓CO32-和Ca2+擴(kuò)散,在凝膠內(nèi)生成結(jié)晶體的方法。這種方法對于研究而言最大的優(yōu)勢是晶體的生成過程能夠清晰地觀察到,因而對于研究晶粒控制有很大的幫助。2納米碳酸鈣

6、的應(yīng)用2.1橡膠工業(yè)橡膠工業(yè)是納米碳酸鈣的主要應(yīng)用市場。納米級超細(xì)碳酸鈣在橡膠中具有空間立體結(jié)構(gòu),又因有良好的分散特性,而能夠提高材料的補(bǔ)強(qiáng)作用。另外它作為填料引入橡膠,可以增加制品的體積,從而降低橡膠原料的使用,節(jié)約了成本。與其它填料(如炭黑,陶土等)配合使用,還可使制品的伸性、抗張強(qiáng)度有本質(zhì)性提高[2],從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí),通過改性的納米碳酸鈣還可部分取代白炭黑與鈦白粉等昂貴材料。硬脂酸及其鹽類在納米碳酸鈣的表面改性及增加橡膠和鈣離子表面的濕潤度方面有重要作用。2.2塑料工業(yè)納米碳酸鈣在塑料中可增加塑料體積,降低產(chǎn)品成本,提高塑料的尺寸穩(wěn)定性、硬度和剛性,改善塑料的加

7、工性能,提高耐熱性,改進(jìn)塑料散光性[3]。由于納米碳酸鈣粒徑小,因而可以填充到塑料中的氣泡和空隙中,從而提高塑料的均勻程度。同時(shí)納米碳酸鈣添加到聚乙烯中對增加韌性起到較大作用。因而被廣泛用于聚氯乙烯、聚丙烯塑料等聚合物中。2.3油墨工業(yè)納米碳酸鈣作為樹脂性油墨中的填料,除起到一般油墨填料的作用外,與傳統(tǒng)油墨填料相比,還具有穩(wěn)定性好、光澤度高、不影響印刷油墨的干燥性能、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可替代價(jià)格較高的膠質(zhì)鈣,以提高油墨的光澤度和亮度。用于高檔油墨,可以提高油墨的附著力,減小油墨對機(jī)械的磨損,適于高速印刷。