一种重质碳酸钙表面包覆纳米碳酸钙的方法

摘要

本发明是一种制备纳米碳酸钙－重质碳酸钙复合纳米材料的新方法。该方法结合物理法和化学法制备颗粒这两种方法的优点,对物理法制得的重质碳酸钙表面用化学法沉积纳米碳酸钙颗粒,从而制得复合纳米碳酸钙－重质碳酸钙颗粒。这种复合颗粒既保存了重质碳酸钙颗粒的形态可以保持填料的添加量较大以减低成本,同时其表面又被纳米的轻质碳酸钙所改性,具有较低强度从而降低魔损。而且重质碳酸钙的表面被纳米轻质碳酸钙包覆后作为填料在应用中具有高的白度及良好的分散性。因此这种复合颗粒是一种在造纸、塑料、橡胶、涂料等领域具有巨大应用前景的新型材料。

说明书

本发明是一种制备纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合纳米材料的新方法。

颗粒的制备方法主要有物理和化学两种。物理即机械方法制备的颗粒成本低，颗粒的平均粒径较大；化学法制备的颗粒成本高，粒径较小。物理法制备的重质碳酸钙允许有更高的加填量，由此可以提高经济效益；颗粒的形态有利于纤维的结合，有利于纸页的强度；纸机的运行性较好，因为阻留的水分较少，滤水性较好；对施胶的影响较小。但是，白度和不透明度低于同等加填量的轻质碳酸钙；泥浆状的重质碳酸钙运到用户途中要加分散剂，以防止颗粒沉降，因此增加了成本；天然重质碳酸钙的硬度较大，粒子的形态使得磨耗数较大，对网部、纸机部件有较大的磨损。化学法制备的轻质碳酸钙能使纸页产生高的不透明度、白度和松厚度；在抄造过程中磨耗数低，减轻对设备的磨损；表面电荷的电势高，这样有利于颗粒在纸页中的分布。可是，轻质碳酸钙颗粒的比表面积大，降低了施胶效率；颗粒间有小的间隙影响了纤维之间的结合，由此降低了纸页的强度；轻质碳酸钙比重质碳酸钙阻留了更多的水分，这意味着纸机的车速要降低；当轻质碳酸钙加填量超过15％时会产生大量生产性问题。

本发明的目的就是综合两种方法生产的颗粒的优缺点，扬长避短，探索一条制备纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的方法。这种复合颗粒既保存了重质碳酸钙颗粒的形态可以保持填料的添加量较大以减低成本，同时其表面又被纳米的轻质碳酸钙所改性，具有较低强度从而降低魔损。而且重质碳酸钙的表面被纳米轻质碳酸钙包覆后作为填料在应用中具有高的白度及良好的分散性。因此这种复合颗粒是一种具有巨大应用前景的新型材料。

本发明中的纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的制备是在一定浓度的氢氧化钙溶液中，加入一定量的重质碳酸钙及特定的添加剂，在搅拌力作用下配成悬浮液。然后通入二氧化碳，对氢氧化钙进行碳化。在一定的时间内氢氧化钙和二氧化碳反应生成的纳米碳酸钙在重质碳酸钙表面形核、长大。接着过滤、干燥、分散即可得到纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒。

本发明中的纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的制备过程中可控制的因素有：①氢氧化钙的浓度；②二氧化碳的质量分数；③添加剂的种类、数量和添加时间。从化学反应速率和碳酸钙成核机理角度考虑，又存在两个可控因素：④搅拌速率；⑤反应温度。另外重质碳酸钙的平均粒径也是一个重要因素。

本发明中的纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的制备过程中氢氧化钙的浓度可为1～20％。氢氧化钙的浓度越低，碳化得到的纳米碳酸钙颗粒粒径越小。但是，浓度越低，动力消耗越高，所需的设备容器体积增大。重质碳酸钙为微米级，根据不同应用背景粒径参差不一。二氧化碳的质量分数为10～80％，而且随着二氧化碳含量的增加，碳化生成的碳酸钙颗粒粒径增大。搅拌速率为1000～3000rpm，在其它条件不变的前提下，随着转速的提高，碳化生成的碳酸钙粒径变小。添加剂的量为0.01～3％，添加剂加入量增加，所得产品粒径减小，当减小到一定程度时，粒径将随添加剂用量的增加而增大。一般的反应开始时加入添加剂得到的碳酸钙颗粒粒径最小，反应过程中加入添加剂的时间越迟，生成的碳酸钙颗粒粒径越大。添加剂种类可选有机多磷酸盐、螯合剂。反应温度可控制在0～60℃。

本发明中的纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的制备是在1～20％氢氧化钙溶液中，加入一定量的重质碳酸钙及0.01～3％的有机多磷酸盐添加剂，在搅拌力作用下配成悬浮液，搅拌速度为1500～3000rpm，溶液温度控制在0～30℃。然后通入质量分数为10～50％的二氧化碳，对氢氧化钙进行碳化。在一定的时间内氢氧化钙和二氧化碳反应生成的纳米碳酸钙在重质碳酸钙表面形核、长大。接着过滤、干燥、分散即可得到纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒，纳米碳酸钙的平均粒径为10～50nm，包覆率80％以上。

本发明中的纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒的制备是在1～20％氢氧化钙溶液中，加入一定量的重质碳酸钙及0.01～3％的螯合剂添加剂，在搅拌力作用下配成悬浮液，搅拌速度为1000～3000rpm，溶液温度控制在0～60℃。然后通入质量分数为10～80％的二氧化碳，对氢氧化钙进行碳化。在一定的时间内氢氧化钙和二氧化碳反应生成的纳米碳酸钙在重质碳酸钙表面形核、长大。接着过滤、干燥、分散即可得到纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒，纳米碳酸钙的平均粒径为10～80nm，包覆率80％以上。

本发明的方法同样可以应用于其它颗粒的表面包覆纳米碳酸钙颗粒。例如微米硅灰石、滑石等矿物粉。

实例一：

采用2000g机械粉碎重质碳酸钙颗粒，平均粒径5μm。加入5000ml，8％氢氧化钙溶液中，搅拌速度为2500rpm，再加入5g有机多磷酸盐添加剂，溶液温度控制在10℃。然后通入二氧化碳，其质量分数为30％，当Ph值达8时停止通气。再过滤、干燥、分散得纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒，纳米碳酸钙平均粒径为40nm。

实例二：

采用2000g机械粉碎重质碳酸钙颗粒，平均粒径10μm。加入5000ml，15％氢氧化钙溶液中，搅拌速度为2400rpm，再加入10g有机多磷酸盐添加剂，溶液温度控制在25℃。然后通入二氧化碳，其质量分数为50％，当Ph值达8时停止通气。再过滤、干燥、分散得纳米碳酸钙—重质碳酸钙复合颗粒，纳米碳酸钙平均粒径为50nm。