（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，無(wú)機非金屬礦物粉體在塑料、涂料、造紙等行業(yè)的需求量呈逐年遞增的趨勢。
伴隨著(zhù)數量的不斷增加，不僅對礦物粉體的質(zhì)量提出了更高的要求，同時(shí)也希望多品種化與功能化。
本文中主要介紹塑料、涂料、造紙行業(yè)常用的幾種微納米復合礦物粉體的制備及應用。研究表明： 微納米復合粉體既具有微米顆粒易分散又具有納米顆粒比表面積大、活性高的特點(diǎn)。
1 試驗
制備微納米復合粉體是在一定濃度的氫氧化鈣溶液中進(jìn)行的，將一定量的礦物粉體及晶形抑制劑加人到反應物溶液中，控制攪拌轉速至固液均勻混合。然后通人反應氣體， 對反應物質(zhì)進(jìn)行碳化。反應過(guò)程中繼續勻速攪拌使氣-固-液三相充分接觸，保證納米生成物在礦物顆粒表面形核、生長(cháng)，整個(gè)反應過(guò)程持續到p H = 7 時(shí)結束。然后過(guò)濾、烘干、分散， 即可得到表面具有納米化結構的復合礦物粉體。
試驗采用的原料包括河北陸德化工有限公司提供的氧化鈣與超細白云石，浙江長(cháng)興金石化工公司提供的超細方解石。二氧化碳氣體購于清華大學(xué)化學(xué)試劑庫。
掃描電子顯微鏡用于觀(guān)察顆粒微觀(guān)形貌。PVC復合材料委托清華大學(xué)工程力學(xué)系電測實(shí)驗室完成性能檢測：復合粉體在涂料中的應用委托昆山南寶( 中國) 樹(shù)脂產(chǎn)品質(zhì)量監督檢測中心進(jìn)行性能試驗；復合粉體在紙張中的應用委托北京紙漿造紙工業(yè)研究院進(jìn)行性能試驗。
2 復合粉體性能
2.1 表面形貌
復合礦物粉體的SEM顯微圖像如圖1 所示。由圖可知, 表面納米顆粒粒徑均勻，粒度在100nm左右，包覆率10 %, 比表面積提高2 倍以上。納米顆粒層改變了復合顆粒表面形貌， 表面粗糙度明顯增加，原來(lái)平整的解理面不復存在，復合顆粒棱角也因為納米顆粒包覆而得到鈍化。復合粉體在塑料、涂料、造紙中應用時(shí)，與基體界面有良好的相容性。
表面粗糙度增加， 使更多的聚合物分子長(cháng)鏈與表面納米顆粒結合，鈍化的棱角使復合材料內部應力集中點(diǎn)出現的幾率減少，復合材料性能得到提高。
 2.2 晶形抑制劑對復合顆粒表面形貌的影響
利用白云石礦物粉體作為被包覆物， 在氫氧化鈣溶液中添加不同的晶形抑制劑，通過(guò)工藝與操作參數優(yōu)化，復合粉體的SEM圖像見(jiàn)復合顆粒的表面形貌隨添加不同的晶形抑制劑而表現出極大的差異。利用外加劑1可以得到表面具有球狀或立方狀的納米碳酸鈣顆粒，粒徑在100nm左右；利用外加劑2可以得到表面具有紡錘形結構的納米碳酸鈣顆粒；利用外加劑3 可以得到表面具有針狀的納米碳酸鈣顆粒， 納米顆粒的長(cháng)徑比最高可達7 : 1。
3 復合粉體的應用
3.1 復合粉體在涂料中的應用
作者委托昆山南寶( 中國) 樹(shù)脂產(chǎn)品質(zhì)量監督檢測中心利用白云石樣品制備室內外建筑涂料， 通過(guò)涂料性能，對比分析包覆前后礦物粉體的性能差異。本試驗與相同粒度級別的緞燒高嶺土進(jìn)行對比。在涂料配方中分別添加15 % 的白云石、復合白云石與高嶺土( 由昆山南寶( 中國) 樹(shù)脂產(chǎn)品質(zhì)量監督檢測中心自己選定) 替代等量的欽白粉， 基本配方包括分散劑、鈦白粉、礦物粉體、樹(shù)脂、成膜劑、殺菌劑、消泡劑以及增稠劑等， 試驗結果如表1 所示。從表可知，利用礦物粉體配制的建筑涂料，其抗裂性、耐人工氣候老化性、耐水性、耐堿性、耐洗刷性與耐沾污性(5 次) 均不符合GB / 79755一1995 標準的技術(shù)要求，白度與對比率均較低， 如原料白度為93 %，而涂膜的白度只有86 %。
利用復合礦物粉體配制的建筑涂料，所有指標均與燃燒高嶺土相近并符合GB / 79755一1995標準的技術(shù)要求， 白度與對比率高， 容易施工， 在空氣中自然暴露兩個(gè)半月后不變色； 涂膜的白度92 % 大于原料的白度87 %。
本試驗結果說(shuō)明，復合礦物粉體表面的納米結構層更容易與樹(shù)脂形成牢固結合的界面，同時(shí)表面的納米結構改善了礦物粉體的折光性能。
3.2 復合粉體在PVC中的應用
作者所在的研究組曾在沈陽(yáng)正益裝飾材料有限公司利用碳酸鈣粉體作為填料，在pvc中填充制備扣板，然后再分別按WDW3 020 電子萬(wàn)能試驗機、KAP-Z 電子萬(wàn)能試驗機的要求將扣板制備成小樣條進(jìn)行檢測，產(chǎn)品性能如表2 所示。
從表2 可以看出：除填充量為1.8 時(shí)最大力下的撓度(mm)為異常點(diǎn)以外，以復合礦物為原料制備的PVC扣板的所有指標均比包覆前原料制備扣板的性能優(yōu)越。當碳酸鈣與PVC的質(zhì)量比為1.8 時(shí)，復合粉體扣板的變形量是碳酸鈣基扣板的2.6倍。當填充量為2.0 時(shí)變形量從1.28mm 提高到5.95mm增加了3.6 倍； 由于復合顆粒表面粗糙，表面包覆的納米碳酸鈣與PVC 高分子能夠產(chǎn)生更多的結合點(diǎn)，從而提高了復合材料的力學(xué)性能。
3.3 復合粉體在造紙中的應用
在造紙中進(jìn)行填充應用性能對比的樣品有重質(zhì)碳酸鈣粉體( GCC )、具有表面納米結構的復合碳酸鈣粉體以及鍛燒高嶺土粉體。委托北京紙漿造紙工業(yè)研究院利用進(jìn)口漂白化學(xué)針葉木漿或進(jìn)口漂白化學(xué)闊葉木漿，探討三種填料對紙張抄造生產(chǎn)操作性和用于低克重紙張的不透明度、強度、填料保留率及其它物理特性等的影響。3 種填料的常規物理化學(xué)分析結果如表3 所示。
磨耗度由未包覆的45.3 mg 下降至24.7 mg, 遠遠低于鍛燒高嶺土的186.6 grn，降低了對造紙網(wǎng)的磨損，意味著(zhù)可用于更高車(chē)速抄造紙機。吸油值由29.6 m L / 100g 提升至33.7 m L / 100g ，雖然未達到鍛燒高嶺土53.8mL / 100g 的水平，但表明復合GCC表面粗糙度的提高與獨特的表面形貌特性增加了顆粒的比表面積，提升了單顆粒的親油性。復合重鈣白度降低的原因是因為包覆試驗所用的反應釜為鑄鐵結構， 試驗前沒(méi)有進(jìn)行徹底的洗滌，少量脫落的銹斑降低了產(chǎn)品的白度。紙張白度不僅沒(méi)有影響，還有一定程度的提高，這是因為復合碳酸鈣表面的納米結構具有更好的光反射能力。
手抄片抄紙應用實(shí)驗條件：進(jìn)口自動(dòng)抄紙器；填料加填量25 %。施膠劑AKD1.6% / 濕重計；助留劑再P470.2‰/干重計；增強劑0.6% /干重計；定著(zhù)劑M80.27 ‰/干重計；設計的抄紙定量40 g/ m2。手抄片紙張的物理特性分析結果如表4 所示。
 通過(guò)表4 的數據對比可知，包覆GCC制備紙樣的性能明顯優(yōu)于GCC制備紙樣的性能并與鍛燒高嶺土制備紙樣的性能基本接近。
1)不透明度由 66.55% 提高到 67.6 % ，達到預想的目的，更有利于印刷。
2) 含復合碳酸鈣的紙張拉力與含GCC的紙張相當，高于緞燒高嶺土； 含復合碳酸鈣的紙張抗張指數略低于含GCC 的紙張， 但仍明顯高于緞燒高嶺土。
總體來(lái)看，復合GCC 與GCC的成紙強度沒(méi)有明顯下降，且明顯優(yōu)于緞燒高嶺土。
3) 吸水性由27.27 g/ m2低至24.44 g/ m2， 明顯降低了紙張表面吸水值， 提高了包覆GCC 紙張表面的疏水性。
4) 紙張的油墨吸收性由68.9% 提高到69.4%，更接近緞燒高嶺土70.6 % 的水平，也同樣歸因于復合GCC獨特的表面形貌特性。
5) 填料保留率由38.04 % 增加到45.48 %，提高了19.56 %，填料保留率的明顯提升也同樣歸因于復合GCC 表面粗糙度的增大與比表面積的提高，這是造紙業(yè)十分感興趣的。
4 結論
1) 成功實(shí)現碳酸鹽粉體表面納米化修飾，經(jīng)修飾后礦物粉體具有納米結構表面，表面粗糙度大大增加，棱角得到鈍化。
2) 與白云石直接做涂料相比，復合粉體制備的涂料在抗裂性、耐人工氣候老化性、耐水性、耐堿性、耐洗刷性、耐沾污性以及白度與對比率方面均表現出優(yōu)異的性能， 是一種潛在的有發(fā)展前景的新型填料。
3) 與碳酸鈣直接作為PVC填料相比， 除填充量為1.8 時(shí)最大力下的撓度為異常點(diǎn)以外， 以復合礦物粉體為原料制備的PVC扣板的所有指標均比以碳酸鈣為原料制備扣板的性能優(yōu)越。當碳酸鈣與PVC的質(zhì)量比為2.0時(shí)變形量從1.28 mm提高到5.95mm，增加了3.6 倍；由于復合顆粒表面粗糙, 表面包覆的納米碳酸鈣與PVC 高分子能夠產(chǎn)生更多的結合點(diǎn)，從而提高了復合材料的力學(xué)性能。
4) 與碳酸鈣相比，復合粉體能降低磨耗度，減少對造紙網(wǎng)的損失，意味著(zhù)可用于更高車(chē)速抄造紙機。
在造紙中的初步試驗表明，復合礦物填料能提高紙張中的填料保留率，提高紙張重量，減少在白水中的損失以及對周?chē)h(huán)境的污染。
該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現了成果轉化， 成功地在20 m³的碳化反應器中進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)，每批產(chǎn)量達到4t。相信隨著(zhù)應用試驗的開(kāi)展，必將為復合礦物填料的應用開(kāi)辟新的市場(chǎng)和領(lǐng)域， 其應用前景非常廣闊。
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