一种造纸涂料用高稳定性纳米碳酸钙水相分散液制备方法

摘要

本发明公开了一种造纸涂料用高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的制备方法。包括以下步骤：（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性。本发明创新点在于基于静电作用、空间位阻效应及超声作用的联合机制制备高稳定性纳米碳酸钙水相分散液；各步骤都进行了精心设计，实现了协同效应，避免了简单的工艺叠加。本发明优点：（1）整体技术以水为分散介质，遵循绿色设计的理念，符合环境友好型造纸涂料的发展趋势；（2）生产工艺简单，易操作，成效显著；（3）生产过程安全无毒，无污染。

说明书

技术领域

本发明属于造纸涂料用功能颜料领域，具体涉及一种造纸涂料用高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的制备方法。

背景技术

近年来，随着国外高档涂布产品大量涌入中国市场，我国涂布加工工业受到严重冲击。通过对一些进口高档涂布产品进行检测，发现部分产品中添加了不同种类的纳米材料。纳米材料在高档涂布体系中，以其独特的物理、化学性能及常规材料不具备的小尺寸效应、量子尺寸效应及表面效应，赋予涂布纸良好的印刷性能和抗老化性能。

纳米材料是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术是21世纪最具发展潜力的科学研究。纳米碳酸钙是最早开发的无机纳米材料之一，由于碳酸钙粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不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，从而使纳米碳酸钙与常规材料相比具有一系列异常的物理、化学及表面与界面性质。纳米碳酸钙所具有的特殊性质使之在塑料、橡胶、油漆、油墨、建筑涂料等领域获得广泛应用。纸张涂料是由高岭土、碳酸钙、胶乳及高分子质量流变助剂组成的一种多分散体系。将纳米碳酸钙加入纸张涂料体系中，对于纳米级粒子来说，因其粒径小，比表面积大、表面层内原子所占比例大，故可以与涂料体系中的聚合物充分地吸附、键合，增强粒子与基体的界面粘合，因而可改善涂层力学性能和印刷性能。关于纳米碳酸钙在纸张涂料中的功能性介绍，已有一些报道；但大多试探性地考察纳米碳酸钙对涂层性能的影响，没有从纳米碳酸钙本身的物化性质角度进行研究。

纳米碳酸钙由于表面能大、表面极性强，单个颗粒往往处于不稳定状态。它们之间常常相互吸引使自身转变成稳定状态，因此导致了颗粒之间的团聚。由于纳米碳酸钙的团聚，使得其比表面积减小，表面活性降低，其表面与界面特性又趋于大块材料。为充分利用纳米碳酸钙的表面与界面特性，必须采取一系列措施，使其处于良好、充分的分散状态。在纸张涂料体系中，纳米碳酸钙的分散及分散稳定性直接影响着涂料流变性能和涂布性能。因此要使纳米碳酸钙在纸张涂料中得到有效利用，发挥纳米颜料效应，解决纳米碳酸钙在纸张涂料中的分散问题至关重要。

目前，在纸张涂料制备过程中，详细研究纳米碳酸钙粒子的水相分散方法，基于静电作用、空间位阻效应及超声作用的联合机制制备高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的研究，国内外尚未见报道。本发明从纳米碳酸钙本身的物化性质入手，在了解纳米碳酸钙团聚原因的基础上，基于纳米碳酸钙的分散稳定理论（DLVO理论），获得分散性良好的纳米碳酸钙水相分散液，为纳米颜料在纸张涂料中的专门化、功能化应用提供理论依据和技术支持，具有重要的理论意义和实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种造纸涂料用高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的制备方法。通过强化静电作用、空间位阻效应及超声作用提高纳米碳酸钙颗粒间

的排斥势能，改善其在水相的分散性、稳定性，为纳米碳酸钙在造纸涂料中的功能化应用奠定基础。                                

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：首先，将0.2～1.0%（对绝干纳米碳酸钙）的六偏磷酸钠溶解于水中，随后在3300～3500r/min剪切速度下将纳米碳酸钙加入到六偏磷酸钠分散液中，调节体系pH至8.2～8.4、固含量为30～40%，并持续分散18～20min。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：在4800～5000r/min剪切速度下，将0.5～1.5%（对绝干纳米碳酸钙）的羧甲基甲基纤维素钠加入步骤（1）获得的纳米碳酸钙分散液中，调节体系pH至9.0～9.2，并持续分散12～15min。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：将步骤（2）获得的纳米碳酸钙分散液置于超声波细胞粉碎机中在功率200W下超声处理5～8min，样品超声环境为冰水浴。经历以上联合步骤，得到高稳定性纳米碳酸钙水相分散液。

本发明的有益效果：一、整体技术以水为分散介质，符合绿色设计的理念，也符合环境友好型造纸涂料的发展目标；（2）发挥静电作用、空间位阻效应及超声作用的协同效应，易于解决纳米碳酸钙水相难以分散的关键问题（3）生产工艺简单，易操作，成效显著；（2）生产过程安全无毒，无污染。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。除非另有说明。

实施例1：

（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：首先，将0.4%（对绝干纳米碳酸钙）的六偏磷酸钠溶解于水中，随后在3300r/min剪切速度下将纳米碳酸钙加入到六偏磷酸钠分散液中，调节体系pH至8.2、固含量为30%，并持续分散18min。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：在4800r/min剪切速度下，将0.6%（对绝干纳米碳酸钙）的羧甲基纤维素钠加入步骤（1）获得的纳米碳酸钙分散液中，调节体系pH至9.0，并持续分散12min。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：将步骤（2）获得的纳米碳酸钙分散液置于超声波细胞粉碎机中在功率200W下超声处理5min，样品超声环境为冰水浴。经历以上联合步骤，得到高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的平均粒径为428nm, 放置7天时间无明显沉降。

实施例2：

（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：首先，将0.6%（对绝干纳米碳酸钙）的六偏磷酸钠溶解于水中，随后在3400r/min剪切速度下将纳米碳酸钙加入到六偏磷酸钠分散液中，调节体系pH至8.3、固含量为30%，并持续分散19min。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：在4900r/min剪切速度下，将0.8%（对绝干纳米碳酸钙）的羧甲基甲基纤维素钠加入步骤（1）获得的纳米碳酸钙分散液中，调节体系pH至9.1，并持续分散14min。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：将步骤（2）获得的纳米碳酸钙分散液置于超声波细胞粉碎机中在功率200W下超声处理7min，样品超声环境为冰水浴。经历以上联合步骤，得到高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的平均粒径为347nm, 放置7天时间无明显沉降。

实施例3：

（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：首先，将0.8%（对绝干纳米碳酸钙）的六偏磷酸钠溶解于水中，随后在3500r/min剪切速度下将纳米碳酸钙加入到六偏磷酸钠分散液中，调节体系pH至8.4、固含量为30%，并持续分散20min。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：在5000r/min剪切速度下，将1.0%（对绝干纳米碳酸钙）的羧甲基甲基纤维素钠加入步骤（1）获得的纳米碳酸钙分散液中，调节体系pH至9.2，并持续分散15min。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：将步骤（2）获得的纳米碳酸钙分散液置于超声波细胞粉碎机中在功率200W下超声处理8min，样品超声环境为冰水浴。经历以上联合步骤，得到高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的平均粒径为114nm, 放置14天时间无明显沉降。

实施例4：

（1）基于六偏磷酸钠形成的静电作用力提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：首先，将1.0%（对绝干纳米碳酸钙）的六偏磷酸钠溶解于水中，随后在3500r/min剪切速度下将纳米碳酸钙加入到六偏磷酸钠分散液中，调节体系pH至8.4、固含量为30%，并持续分散20min。（2）基于羧甲基纤维素钠形成的空间位阻效应提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：在5000r/min剪切速度下，将1.5%（对绝干纳米碳酸钙）的羧甲基甲基纤维素钠加入步骤（1）获得的纳米碳酸钙分散液中，调节体系pH至9.2，并持续分散15min。（3）基于超声作用提高纳米碳酸钙水相分散稳定性：将步骤（2）获得的纳米碳酸钙分散液置于超声波细胞粉碎机中在功率200W下超声处理8min，样品超声环境为冰水浴。经历以上联合步骤，得到高稳定性纳米碳酸钙水相分散液的平均粒径为125nm, 放置14天时间无明显沉降。

结合以上实例列表如下：

表1. 不同分散工艺下制得的纳米碳酸钙水相分散液的性能

六偏磷酸钠/%羧甲基纤维素钠/%平均粒径/nm无明显沉降/天0.40.642870.60.834770.81.0114141.01.512514

（注：原始纳米碳酸钙水相分散液平均粒径1723nm, 2小时内开始出现沉降）

由此可见，原始纳米碳酸钙在水相体系中极易团聚、难以分散，从而一定程度上失去纳米效应。而采用本发明方法，可以制得高稳定性的纳米碳酸钙水相分散液，平均粒径可达100nm左右。必须指出的是，对于无机纳米粒子的水相分散，平均粒径在100nm左右，是非常理想的分散效果了。而且，所制得的纳米碳酸钙水相分散液静置7天以上无明显沉降，显示高度分散稳定性，这有利于高性能造纸涂料的制备及功能化应用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。