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| 輕質(zhì)碳酸鈣粉體制備及形貌控制研究進(jìn)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-04-24 11:10:08 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）輕質(zhì)碳酸鈣是一種十分重要的無(wú)機工業(yè)材料，具有廉價(jià)易得、化學(xué)性質(zhì)穩定、無(wú)毒無(wú)害、生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛應用于塑料、橡膠、造紙、涂料、油墨、紡織、化妝品、醫藥等行業(yè)。
輕質(zhì)碳酸鈣粉體的主要參數有形貌、大小、晶型、比表面積、吸油值、亮度、化學(xué)純度等。輕質(zhì)碳酸鈣常見(jiàn)的形貌有立方形、球形、針形、紡錘形、片形等，不同形貌的碳酸鈣在不同領(lǐng)域有著(zhù)不同的功能。球形碳酸鈣經(jīng)常被作為填料或增強材料應用于塑料和橡膠等工業(yè)，可以增加產(chǎn)品的強度，同時(shí)由于其良好的流動(dòng)性使得他們更容易分散從而增加材料的平滑度;鏈形和針形碳酸鈣對聚氯乙烯具有補強作用; 不同形貌的碳酸鈣還可以作為制備無(wú)機或無(wú)機/有機復合微球的模板材料。因此，制備不同形貌、晶型、尺寸并且分散性良好的碳酸鈣及其表面改性成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
1 碳酸鈣粉體的制備
制備輕質(zhì)碳酸鈣的常用方法主要是復分解法和碳化法。復分解法是指將水溶性鈣鹽( 如CaCl2) 和水溶性碳酸鹽( 如Na2CO3和( NH3)2CO3) 在適宜條件下反應制備輕質(zhì)碳酸鈣的方法。該方法可通過(guò)控制反應溫度、反應物濃度、分散方式以及加入晶型控制劑等來(lái)控制碳酸鈣的形貌和粒徑。復分解法的優(yōu)點(diǎn)在于易于控制碳酸鈣的晶型、形貌、粒徑大小，而且制備的碳酸鈣白度和純度都較高，但由于其生產(chǎn)成本較高，因此目前未能在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應用。
碳化法是目前工業(yè)生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣的主要方法，其特點(diǎn)在于以石灰石為原料廉價(jià)易得。將優(yōu)質(zhì)石灰石經(jīng)煅燒得到CaO，加水消化生成Ca( OH)2乳液，然后通入CO2并加入適量晶型控制劑進(jìn)行碳化，碳化結束后將產(chǎn)物脫水、干燥得到輕質(zhì)碳酸鈣。
碳化過(guò)程是制備輕質(zhì)碳酸鈣的關(guān)鍵步驟，反應過(guò)程中的物理化學(xué)環(huán)境決定了碳酸鈣的粒徑和形貌。根據反應過(guò)程的不同又將碳化法分為間歇式碳化法、連續噴霧式碳化法和超重力式碳化法。
間歇式碳化法是國內外生產(chǎn)碳酸鈣最普遍使用的方法，將CO2通入到Ca( OH)2懸濁液中進(jìn)行反應制備碳酸鈣，根據CO2和Ca( OH)2接觸方式不同又將間歇式碳化法分為間歇式鼓泡碳化法和間歇式攪拌碳化法，前者操作簡(jiǎn)單但耗能較高且粒徑均一度較差，后者操作相對復雜，但產(chǎn)品粒徑均一度較高。
連續噴霧式碳化法是將Ca( OH)2懸濁液從塔頂向下噴成霧狀，同時(shí)從塔底通入CO2氣體與霧狀Ca( OH)2反應生成碳酸鈣，該方法產(chǎn)率較高，易實(shí)現連續大規模生產(chǎn)，但設備投資較大；
超重力碳化法是指在超重力反應裝置中進(jìn)行的碳化反應，利用超高轉速產(chǎn)生超重力環(huán)境，可以在分子尺度上有效地控制碳酸鈣的生長(cháng)過(guò)程，從而獲得碳酸鈣，具有生產(chǎn)成本低、無(wú)需添加晶型控制劑、產(chǎn)品純度高、產(chǎn)品粒度小、粒徑分布均勻、碳化時(shí)間短等特點(diǎn)，但設備投資大。
2 輕質(zhì)碳酸鈣粉體的形貌控制
輕質(zhì)碳酸鈣粉體的形貌多種多樣，常見(jiàn)的有立方形、鏈形、球形、紡錘形、針形、片形等，不同形貌的碳酸鈣在不同領(lǐng)域有著(zhù)不同的功能和應用，因此不同形貌碳酸鈣的制備成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。
2. 1 立方形
立方形輕質(zhì)碳酸鈣是自然界中碳酸鈣最穩定存在的形式，因此在制備過(guò)程中也十分簡(jiǎn)單。楊亞囡等在超聲狀態(tài)下用CaCl2和Na2CO3通過(guò)沉淀反應，且無(wú)需添加晶型控制劑的情況下制得了粒徑為4 ~ 5 μm 的立方形碳酸鈣。而Hari 等在無(wú)需添加晶型控制劑的情況下采用間歇式碳化法制得了粒徑為34 nm 的立方狀納米碳酸鈣。
2. 2 球形
Yu 等分別以聚丙烯酰胺( Mw≈3106 ) 、聚丙烯酸嵌段丙烯酸羥丙交酯( Mw≈5000) 、聚苯乙烯磺酸鈉( PSSS，Mw≈106) 、聚順丁二酸酐( PMA，Mw≈3000) 為晶型控制劑，以CaCl2和Na2CO3為原料，在攪拌條件下通過(guò)沉淀反應制備碳酸鈣，其中只有以PSSS 和PMA 為晶型控制劑時(shí)制得的碳酸鈣為球形，且分散性好、粒徑均一，粒徑為1-2 μm。他們得出，聚合物晶型控制劑的酸度是制備單分散微球過(guò)程中控制碳酸鈣形貌的重要參數，酸度越強其對Ca2 + 離子吸附能力越大，越容易制備球形碳酸鈣。
2. 3 針形
Hu 等在攪拌條件下通過(guò)向CaSO4懸濁液中滴加Na2CO3的方法制備出了針形碳酸鈣，并且其形貌還會(huì )隨Na2CO3濃度以及其滴加速率的改變而改變。
2. 4 紡錘形
紡錘形碳酸鈣可以視為針形碳酸鈣二維生長(cháng)的結果，Wang 等通過(guò)間歇式鼓泡碳化法，以C17H35COONa 為晶型控制劑，將物質(zhì)的量比為3: 10 的CO2和N2通入到Ca( OH)2懸濁液中進(jìn)行反應，制備出了紡錘形碳酸鈣，且其生長(cháng)速度會(huì )隨溫度的改變而改變。
2. 5 片形
片狀碳酸鈣可通過(guò)碳化法制得，Wen 等利用間歇式攪拌碳化法，在不含晶型控制劑的條件下，制備出了片形碳酸鈣。并討論了初始懸濁液中Ca( OH)2的固含量、CO2濃度、溫度對碳酸鈣形成的影響。發(fā)現低固含量時(shí)利于形成片形碳酸鈣; 片形碳酸鈣的厚度會(huì )隨CO2濃度的升高而增加; 溫度越低，片形粒子越規則，徑厚比越大。
3 輕質(zhì)碳酸鈣粉體的改性
輕質(zhì)碳酸鈣分為普通碳酸鈣和活性碳酸鈣。普通碳酸鈣是指碳酸鈣顆粒表面未經(jīng)表面活性劑包覆處理的產(chǎn)品，該產(chǎn)品親水性較好，極性較強，因此與非極性或弱極性的有機聚合物相容性差，從而使其在聚合物中分散性較差，并且其表面能較高，十分容易發(fā)生團聚，很難在聚合物基體中分散均勻。因此，必須對碳酸鈣表面進(jìn)行改性，增強其與有機物的相容性，從而提高復合材料的力學(xué)性能。
碳酸鈣粒子表面經(jīng)活性劑包覆處理后稱(chēng)為活性碳酸鈣或者改性碳酸鈣，與普通碳酸鈣相比，其分散性、補強性、有機相容性都有了較大提高。
碳酸鈣表面改性是通過(guò)物理或化學(xué)方法在其表面包覆一層表面活性劑使其表面活化，從而改善碳酸鈣的表面性能。低分子量聚丙烯酸鈉是一種常見(jiàn)的水溶性分散劑，
Deng 等用低分子量聚丙烯酸鈉對碳酸鈣進(jìn)行改性，大大提高了碳酸鈣粒子的分散性，使得碳酸鈣懸濁液在固含量為40 %時(shí)依然可以穩定存在。
4 結論
輕質(zhì)碳酸鈣粉體的制備方法多種多樣，根據合成機理的不同分為復分解法和碳化法。輕質(zhì)碳酸鈣形狀也多種多樣，比較常見(jiàn)的有立方形、球形、針形、紡錘形和片形等。根據碳酸鈣表面是否被處理又分為普通碳酸鈣和活性碳酸鈣，碳酸鈣改性后可以明顯增加其分散性、補強性、有機相容性等。碳酸鈣在不同領(lǐng)域有著(zhù)不同的要求，因此制備不同形貌、粒徑以及改性的碳酸鈣變得十分重要。
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