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纳米碳酸钙CaCO3不同晶形的控制及应用
2017年02月07日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:5969
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随着纳米科技的快速发展,纳米材料的应用受到各个领域的广泛关注。纳米碳酸钙作为一种优质填料和白色颜料,具有成本低、性能优、无毒无味等特点,广泛应用在橡胶、塑料、造纸、涂料、油墨、医药、化妆品等诸多领域。在其应用过程中,纳米碳酸钙功能的好坏,主要取决于碳酸钙产品的化学组成、形貌特征、平均粒径及分散性等参数,其中最重要的是粒子的晶形和粒度分布,不同晶形的纳米碳酸钙粒子,其应用领域和功能不同。

 

目前,通过人为地控制碳酸钙的结晶,制得特殊晶形的纳米碳酸钙产品,从而赋予产品更高的应用性能和附加值,仍然是当前碳酸钙研究开发的热点

 

一、纳米CaCO3晶形控制

晶体的生成包括晶核形成与晶体生长两个阶段,分为“平衡型”和“生长型”。“平衡型”是基于热力学分析,“生长型”基于动力学分析。一般在自然条件下,晶体形状即是平衡形状。

 

在纳米纳米CaCO3制备过程中,通过调节碳化温度、搅拌速度、CO2气体流速、通气方式、液相浓度等条件,来控制碳酸钙不同结晶阶段的反应速度,最终达到控制晶体大小与形貌的目的。此种导向技术得到的产品性能稳定,但其技术复杂、要求高、设备投资大,目前,日本多采用此种工艺。

 

二、纳米CaCO3不同晶形的控制及应用

纳米碳酸钙晶形主要分为:球形、链状、针状、立方形、片状等。晶形控制主要取决于不同反应阶段的离子浓度选择合适的晶形控制剂单纯工艺导向技术复杂、对设备要求高,而纯粹晶形控制剂导向得到的纳米碳酸钙形态有限,满足不了工业中多样性的需求,所以,目前,多采用两种导向工艺结合技术,制备形态多样的纳米碳酸钙产品

 

1、单分散球形纳米碳酸钙

球形纳米碳酸钙具有良好的平滑性、流动性等特点,被广泛应用在橡胶、涂料和高档油漆及电子陶瓷等行业。

 

球形纳米碳酸钙在制备过程中,关键点在于如何选择合适的添加剂以和添加剂的用量,以便强化对形貌的诱导作用。主要晶形控制剂有ZnCl2、MgCl2、EDTA及PEG等,同时还要综合考虑pH值、浓度、温度等影响因素。

 

 

2、链状纳米碳酸钙

链锁形纳米碳酸钙是优良的橡胶补强填料。在与橡胶混炼过程中,链锁状的链被打断,形成高活性点与橡胶链健接,这使它的分散性提高,补强作用也大大增强。链锁形纳米碳酸钙还可以和其他填料,如,炭黑、白炭黑、钛白粉等混合使用,达到改善制品加工性、调色或部分替代钛白粉等昂贵的白色填料的目的。

 

链状纳米碳酸钙制备主要晶形控制剂有水杨酸、油酸等。

 

 

3、针状纳米碳酸钙

针状纳米碳酸钙又称晶须碳酸钙,一般指长径比大于10,截面积小于5.2×10-100px2的单晶纤维材料。其完整的晶体结构,使它的补强增韧功能远大于目前常用的增韧剂。作为一种补强增韧填料,它可以显著提高材料的强度、伸长度、硬度、耐磨性等,特别是可以提高橡胶的耐曲挠性。所以,针状纳米碳酸钙有望取代玻璃、石棉等纤维材料和昂贵的钛酸钾、碳化钛(SiC)等晶须材料,在造纸、塑料、橡胶和涂料等工业领域广泛应用。

 

针状纳米碳酸钙制备的主要晶形控制剂有硫酸钠、六偏磷酸钠等。

 

4、立方形纳米碳酸钙

立方形纳米碳酸钙是目前工业中用量最大的纳米碳酸钙品种。它结构简单、堆积体积小、流动性好,用在纸张中,表现出很高的遮光度、平整度和白度;添加到塑料中,可以提高塑料的强度、耐冲击性和加工性

 

立方形纳米碳酸钙主要晶形控制剂有蔗糖、碳酸氢钠等。

 

5、片状纳米碳酸钙

片状纳米碳酸钙具有较强的表面涂覆功能和遮盖力,以及良好的分散性能、光学性能和印刷性,被广泛用在造纸行业。特别,当片状纳米碳酸钙用于铜版纸涂布颜料时,表现出良好的流动性和分散性,具有比普通纺锤体PCC(轻质碳酸钙)更好的光泽度和平滑度,可以代替或部分代替越来越短缺的片状高岭土。

 

片状纳米碳酸钙主要晶形控制剂有H3BO3等。

 

 

三、小结

随着纳米碳酸钙应用领域不断拓展,对纳米碳酸钙专用化和功能化提出了更高的要求,这就要求更多新形貌的出现,以满足不同制品的特殊需求。在晶形控制方面,虽然不同形貌的纳米碳酸钙已经被制备出来,但关于结晶过程尚缺乏研究,对有效控制纳米碳酸钙粒子的大小、形状和粒径分布尚没有形成成熟的理论。相信随着测试技术的不断进步以及对纳米碳酸钙结晶过程的不断深入探索,完善的结晶理论将会形成,最终达到根据需要去人为的设计纳米碳酸钙微观结构的目标。

 

作者:李波涛

参考文献:《聚合物控制碳酸钙晶型、形貌的研究》,陈银霞等


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