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纳米碳酸钙四大纳米效应具体应用表现

时间:2018-5-6 18:53:46 点击:248

  核心提示:纳米碳酸钙是指碳酸钙粉体至少有一维粒度控制在1-100nm 之间的碳酸钙分子聚合体,其粒子尺度处于团簇分子和宏观物体交替的过渡区域,单个的纳米碳酸钙原生粒子(也称一次粒子)用肉眼甚至用普通的光学显微镜都是无法看到的,必须使用高分辨率的电子显微镜才能看清楚其结构与形状。 纳米碳酸钙所具有的量子尺寸效应...

    纳米碳酸钙是指碳酸钙粉体至少有一维粒度控制在1-100nm 之间的碳酸钙分子聚合体,其粒子尺度处于团簇分子和宏观物体交替的过渡区域,单个的纳米碳酸钙原生粒子(也称一次粒子)用肉眼甚至用普通的光学显微镜都是无法看到的,必须使用高分辨率的电子显微镜才能看清楚其结构与形状。

    纳米碳酸钙所具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,在磁性、催化性、光热阻和熔点等方面表现出与普通轻质碳酸钙不同的或反常的物理、化学特性,例如:增韧性、补强性、透明性、触变性、流平性和消毒杀菌等应用方面的特殊性能。

    纳米碳酸钙作为一种新型高档无机功能性填料,目前一吨价位在万元以内,是具有万吨级规模,工业化水平非常高纳米产业。其增韧补强效果极大地改善和提高了相关行业的产品性能和质量,其纳米效应和特性在生产过程和应用过程的表现,一直为广大纳米碳酸钙生产企业和用户所关注。


一、量子尺寸效应及其在应用过程中的主要表现

    纳米碳酸钙应用于涂料工业、橡胶制品、塑料制品时所表现出的量子尺寸效应如下:

    (1)纳米碳酸钙应用于涂料工业表现出特殊应用性能。应用于乳胶漆中时,由于吸收光谱发生蓝移现象,使乳胶漆可以起到屏蔽外光,隔热的效果,涂层的抗老化性能得到了加强。将纳米碳酸钙应用到外墙涂料中时,涂层展现出优异的疏水性、抗裂强度和耐污染性等。纳米碳酸钙具有空间位阻效应,在制漆中能使配方中密度较大的立德粉悬浮,起到防沉降的作用;制漆后,漆膜白度增加,光泽度增大,而遮盖力却不降低,主要用于高档轿车面漆。

    (2)纳米碳酸钙应用于橡胶制品时表现出极强的化学活性和防臭、防毒、防霉功效。通过特殊工艺处理,纳米碳酸钙表面极具活性,在阳光、紫外线照射下能够分解出自由移动的带负电的电子,同时留下带正电的空穴,这种空穴具有极强的化学活性,极易与氧或有机物发生化学反应,杀死一些病毒和细菌。因此,纳米碳酸钙应用于橡胶、装饰橡胶制品中,具有防臭、防毒、防霉功效。

    (3)纳米碳酸钙应用于塑料制品时表现出良好的电绝缘性。导电的金属在超微颗粒状态时可以变成绝缘体,其光谱线会向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。碳酸钙在水中的溶解度虽然很小,但被溶解的碳酸钙全部电离,所以碳酸钙是强电解质,但改性纳米碳酸钙却是一种良好的电绝缘体,其体积电阻大于4 × 1012 Ω /m。因此,纳米碳酸钙填充于PVC 塑料后,能大大提高PVC 的电绝缘性能。

二、 表面效应及主要表现

    当纳米碳酸钙的粒径小于10nm,其表面原子和体内原子的数目之比几乎达到50%。由于纳米碳酸钙表面效应的存在,使得表面原子处于“裸露”状态,周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,产生的离域电子在表面和体相之间重新分配,化学键强度增大,从而导致红外光谱发生蓝移,并易与其它原子结合而稳定下来,具有较高的化学活性。

2.1 表面效应的主要表现

    表面效应将显著影响纳米碳酸钙的生产和应用性能。表现如下:

    (1)普通轻质碳酸钙的沉降体积要明显小于纳米碳酸钙的沉降体积,活性轻质碳酸钙表面改性所需要消耗的表面活性剂要明显小于活性纳米碳酸钙表面改性所需表面活性剂,这都是因为纳米碳酸钙比普通轻质碳酸钙具有更大的比表面积。碳酸钙粒径与沉降体积和表面活性剂(以硬酯酸钠为例)用量的关系如表1。

                   表1 碳酸钙粒径与沉降体积和表面活性剂用量关系

    可见,碳酸钙粒径越小,其比表面积就越大,表面活性剂用量越多,其沉降体积也越大。纳米碳酸钙在生产过程中表现为粒径越小,过滤脱水越困难,干燥条件越苛刻,干燥成本远高于普通轻质碳酸钙;在应用过程中表现为分散性变差,团聚现象较普遍,难以充分体现出其纳米特性,使纳米粒子的优势难以得到应有的发挥,甚至难以使用。

    (2)制备过程中容易聚集和团聚,从而使已制备出的纳米碳酸钙一次粒子容易重新聚合为大颗粒的碳酸钙二次粒子,经表面改性处理后的纳米碳酸钙粒子一般形成“软团聚”,在应用过程中通过机械剪切和超声波振荡可以解开这种“软团聚”。纳米级碳酸钙粉末比表面积很大,易于吸附气体、空气中水分、介质或其他物质,从而破坏原来的表面性质,导致粘连与团聚,还有因其极高的表面能和较大的接触界面,使晶粒生长的速度加快。

    (3)非改性纳米碳酸钙在应用过程中分散性差。这是由于其亲水疏油的性质使得碳酸钙与有机高聚物的亲和性差,易形成聚集体,造成在高聚物内部分散不均匀,从而造成两种材料间界面缺陷,直接应用效果不好,并且随着填充量的增加,这些缺点更加明显,过量填充甚至导致制品无法使用。

    (4)改性纳米碳酸钙填充在橡胶、塑料、高级油墨、涂料中时,其很大的比表面积和高比表面能有利于碳酸钙颗粒与有机高聚物分子之间的结合牢固,能使制品表面光艳和具有优异的补强性能。

作者: 来源:中国粉体技术网
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