纳米碳酸钙的制备及粒径、形貌控制

摘要

纳米碳酸钙是一种重要的无机材料，在橡胶、塑料、造纸、涂料、纺织、油墨、牙膏、化妆品、食品、制药等多个工业领域，作为一种性质更优异的功能性无机填料，己经开始被广泛的应用。目前碳酸钙用量约占聚合物无机填料用量的80％以上，而其中性能优异的纳米碳酸钙的比例也在逐年上升。碳酸钙有方解石、文石和球霰石三种不同的结晶形态，其中方解石最稳定。而碳化法是工业上生产纳米碳酸钙的主要方法。
　　随着碳酸钙生产技术的发展和对其应用要求的提高，促使碳酸钙生产朝着粒径分布窄、粒径小，具有新功能的产品方向发展。同时，由于不同大小、形貌的纳米碳酸钙粒子的应用范围不同，改良的碳化法也逐渐出现。因此，研究纳米碳酸钙的制备、形貌及粒径可控具有重要的意义。本课题，首先以一次碳化、油水界面、二次碳化法制备纳米碳酸钙粒子。其次，用种晶-碳化法制备方解石型纳米碳酸钙。然后，按照最佳实验条件，使用5L反应釜生产纳米碳酸钙粒子并与三口烧瓶的反应结果比较分析，为大小、形貌可控的纳米碳酸钙生产打下基础。
　　本课题按如下五个方面展开：
　　（1）使用一次碳化法制备碳酸钙纳米粒子，并添加不同晶型控制剂，对产物进行XRD、TEM、FT-IR及堆密度测试，初步探讨了操作条件对碳化过程的影响。结果表明：制备出的碳酸钙纳米粒子为方解石型碳酸钙，粒径分布不均，团聚现象比较严重。
　　（2）当油相即油酸钙溶液浓度为0.1M，水相即Na2CO3溶液浓度为0.1M，反应时间为2h，体系反应温度分别为40.0℃和15.0℃时，采用油水界面法制备纳米碳酸钙。当反应温度为40.0℃时，能成功合成出疏水性的纳米碳酸钙，且为球霰石型，但晶体粒径较大，形貌不规整；反应温度为15.0℃时，得到纺锥状产物，但该物质并不是CaCO3。
　　（3）不同碳化次数对CaCO3纳米粒子的长径比及碳化过程都有影响。而二次碳化法所得纳米碳酸钙产品的粒子分布更加均匀，晶形更完善。探讨了二次碳化中不同晶型控制剂对 CaCO3纳米粒子的影响，而陈化阶段加入NaHCO3则会使纳米碳酸钙产物形貌更加规整、长径比减小，堆密度更大。
　　(4)种晶-碳化法成功制备了纳米CaCO3颗粒，且种晶越多碳化时间越短，这对于碳酸钙的产业化有很大的参考价值。实验结果表明：蔗糖与NaHCO3复配，加入顺序及添加量、Ca(OH)2浓度、碳化起始反应温度、CO2流速及含量、搅拌速度等不仅对CaCO3的大小产生影响，还会对形貌，粒径分布、分散情况及堆密度有一定的作用。
　　（5）根据小试实验所得的最佳反应条件，用5L反应釜进行放大实践。对产物进行TEM、XRD、接触角及FT-IR测试。实验结果表明：放大产品是方解石型亲水性的碳酸钙纳米粒子，颗粒粒径与小试相比略有不同。
　　研究纳米碳酸钙的制备技术，尤其是低成本，易操作的生产方式，完善碳酸钙纳米生产的超细化、功能化，有利于碳酸钙纳米材料生产技术的成熟，从而促进我国碳酸钙产业的发展。

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第一章 绪论

1.1 纳米材料及特性

1.2纳米碳酸钙的结构和性质

1.3 纳米碳酸钙的生产方法

1.4 纳米碳酸钙材料的应用

1.5 国内外生产和研究现状

1.6 课题的提出和研究内容

第二章 实验仪器、试剂及研究表征方法

2.1实验仪器、试剂

2.2 研究过程及方法原理

2.3 表征方法

第三章 不同方法与流程制备纳米碳酸钙

3.1 一次碳化法制备纳米CaCO3

3.2 油水界面法制备纳米CaCO3

3.3 二次碳化法制备纳米CaCO3

3.4 本章小结

第四章 运用种晶-碳化法制备 CaCO3纳米颗粒

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 本章小结

第5章 纳米碳酸钙合成的放大

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 全文结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

东华大学硕士研究生在学期间发表专利目录

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