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纳米碳酸钙科普

时间:2018-2-25 19:45:48 点击:496

  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是无法观察到的,必须使用高分辨率的电子显微镜才能看清楚其结构和形状。纳米碳酸钙所具有的量子尺寸效应、小...

   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是无法观察到的,必须使用高分辨率的电子显微镜才能看清楚其结构和形状。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与普通轻质碳酸钙不同或反常的物理 、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。随着对纳米碳酸钙应用研究的深入而逐渐被人们撩开了其神秘的面纱,极大地激发了国内外广大科技人员的研发兴趣。

     纳米碳酸钙作为一种新型高档无机功能材料,与普通碳酸钙产品相比,它具有粒子细、比表面积大、表面活化率高、白度较高等特点,在众多应用领域中可起到增强、增韧作用,从而改善产品的使用性和外观性。它可以部分取代如白炭黑等昂贵的原材料,使产品成本下降,质量大幅度提高。因此,纳米碳酸钙一出现,就变现出广泛的适用性和旺盛的市场需求,在涂料、塑料、橡胶、胶粘剂、造纸、油墨、油漆、化妆品以及医药和食品等领域具有广泛的用途。  目前一吨位价在万元以上,是具有万吨级规模,工业化水平最高的纳米产业。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。 

     根据国内塑料行业现状和纳米碳酸钙近几年使用情况,部分业内专家最近建议塑料行业在使用纳米碳酸钙时,应重点开拓以下领域:降解农膜、纳米改性汽车塑料配件和专用树脂。       

      降解农膜 我国农用地膜年用量在45万吨以上,由此带来了难以回避的土地污染问题。因此,推广和使用降解农膜的呼声很高,但目前可完全生物降解的农膜价格过高,仍难以推广应用。而使用纳米碳酸钙对农膜改性处理则可解决成本、性能与价格的矛盾。虽然无机纳米碳酸钙填料与普通钙粉填料一样,不能起到对农膜的直接降解作用,但由于纳米碳酸钙特有的性能,使其能大比例均匀地填充于农膜中,使产品在成型和实施二次拉伸时,表面和内部形成无数微小缝隙,帮助并加速光/ 生物助剂对农膜的降解,制成的农膜既能保证质量和使用性能,又不增加生产成本,还可实现快速降解。  

     纳米改性汽车塑料配件 轻量化是汽车节能降耗的关键。有关数据表明,汽车质量每减轻10%,燃油消耗就可下降6%~8%。为减轻汽车自重,采用高性能塑料配件替代笨重的金属部件已经成为发展主流。普通塑料制品模量和耐热性较低,抗冲强度差,因而难以直接用于汽车配件。但如果在塑料树脂中添加一定比例的纳米碳酸钙及其他助剂,对树脂进行改性,所制得的产品耐热性、抗老化性和抗冲强度均可明显增强。这将是今后国内纳米碳酸钙需求增长最快,也最具开发潜力的领域。比如,轿车中使用的经添加纳米碳酸钙改性的PP,其耐热性可由80℃提高到150℃,并可保证在高温下750~1000小时不老化、不龟裂。       

     纳米改性专用树脂,目前,我国专用塑料树脂品种少,档次低,难以满足市场需求。但如果在塑料树脂合成过程中,加入特殊助剂和纳米碳酸钙乳液,则可制得国内市场短缺的高性能专用塑料树脂。如太原化工股份有限公司与杭州华纳公司合作,开发的纳米碳酸钙微乳液,已经成功用于太化股份氯碱分公司PVC装置,所生产的 PVC树脂受到国内外塑料加工企业追捧,产品一直供不应求。


    纳米碳酸钙的生产方法主要有物理法和化学法两种。物理法是指从原材料到粒子的整个过程没有化学反应发生的制备方法,即对碳酸钙含量高的天然石灰石等进行机械粉碎而得到碳酸钙产品的方法。但使用一般的粉碎机粉碎到1.0微米以下是很困难的,只有采用特殊的方法和机械才有可能达到0.1微米以下,因此在实际生产中常采用化学方法进行生产。化学方法又包括复分解法和碳化法两种。

复分解法

    复分解法是采用水溶性钙盐(如氯化钙等)与水溶性碳酸盐(如碳酸铵或碳酸钠等),在适当的工艺条件下进行反应,通过液—固相反应过程制得纳米级碳酸钙产品。这种方法可通过控制反应物的浓度、温度以及生成碳酸钙的过饱和度,并加入适当的添加剂等方法,得到球形、粒径极小、比表面积很大、溶解性很好的无定形碳酸钙。所得产品纯度高、白度好,但由于吸附在碳酸钙中的大量氯离子难以除尽,生产中使用的清洗法往往需要大量的时间和洗涤用水,故目前国内很少采用。

碳化法

    碳化法是将精选的石灰石煅烧,得到氧化钙和窑气。氧化钙消化生成的悬浮氢氧化钙在高剪切力作用下粉碎,多极旋液分离除去颗粒及杂质,得到一定浓度的精制氢氧化钙悬浮液;然后通入二氧化碳气体,加入适量的晶形控制剂,碳化至终点,得到要求晶形的碳酸钙浆液;最后再经过表面处理、干燥破碎得到纳米碳酸钙产品。在碳化法中,碳化过程决了轻质碳酸钙的粒度和晶形。该方法具有产品质量好、成本低廉等优点,是目前国内外生产纳米级碳酸钙的主要方法。他主要包括间歇式碳化法、连续喷雾碳化法以及超重力碳化法等几种生产方法。

间歇式碳化法

    间歇式碳化法生产纳米碳酸钙是以二氧化碳和氢氧化钙为原料,在搅拌鼓泡碳化塔或釜中,通入二氧化碳与经通过冷冻机降温后的氢氧化钙发生乳液反应生成碳酸钙,因其反应控制是间歇式进行,故称间歇(冷冻)式碳化法。按二氧化碳和氢氧化钙接触方式的不同,它又可以分为间歇鼓泡式碳化法和间歇搅拌式碳化法两种。间歇鼓泡式碳化法是将5~8波美度石灰乳痈冷冻机降温至25℃以下,泵入碳化塔中,保持一定液位,由塔底通入窑气鼓泡进行碳化反应,通过控制反应温度、浓度、气液比、添加剂等的工艺条件,间歇制备纳米碳酸钙。此法设备投资小,操作简单,但耗能较高,工艺条件较难控制,粒度分布较宽。  间歇搅拌式碳化法,也称釜式碳化法,是将石灰乳通过冷冻机降温至25℃以下,放入碳化反应釜中,通入二氧化碳混合气体,在搅拌下进行碳化反应。通过控制反应温度、浓度、搅拌速度、添加剂等条件间歇制备纳米碳酸钙。此法设备投资大,操作较复杂,但因搅拌气液接触面积大,反应较均匀,产品粒径分布较窄。

连续喷雾碳化法

    连续喷雾碳化法是日本白石工业公司在20世纪70年代末开发的一种工艺,通常采用多个碳化塔,含二氧化碳的窑气从塔底进入,与塔顶喷雾成一定液滴径的石灰乳逆流接触,进行碳化反应。此种碳化工艺可以使两段式,也可以是三段式至多段式,一般以2~4段为好。段数的选择要根据用户对产品的性能要求决定。采用喷雾式碳化工艺,通过调整反应过程中氢氧化钙悬浮液的浓度、喷雾液滴径以及二氧化碳混合气体的浓度、空塔速率、气液比和浆液的每塔碳化率,即可得到平均粒径小于100nm的碳酸钙。同样,调节反应器的反应参数,可以得到立方形、链锁形、类球形等单一超细产品。例如选用三段碳化法,控制碳化过程中氢氧化钙悬浮液浓度为0.1%~10%(质量)、温度为1~30℃、一定液滴直径以及一定的空塔速度,可得到小于100nm的立方形碳酸钙。该方法生产纳米碳酸钙效率高、经济效益较好,并能实现自动化大规模生产,不足之处是设备投资较大。

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