納米碳酸鈣的化學(xué)制備方法及應(yīng)用分析

劉中河+李甘

摘 要：碳酸鈣作為一種生物礦物，其具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，屬于很有前途的無機材料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、油墨、涂料、塑料和橡膠等領(lǐng)域。而納米碳酸鈣則是指粒徑保持在1～100nm范圍內(nèi)的碳酸鈣產(chǎn)品，其涉及超微細碳酸鈣和超細碳酸鈣這兩種產(chǎn)品，具有宏觀量子隧道效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，在殺菌消毒、增強透明性與補強性等方面的應(yīng)用性能較為特殊。本文就對納米碳酸鈣的化學(xué)制備方法及應(yīng)用進行分析和探討。

關(guān)鍵詞：納米碳酸鈣；化學(xué)制備方法；應(yīng)用

納米碳酸鈣是上世紀八十年代發(fā)展起來的新型固體材料，選料為非金屬礦石灰石，采用沉淀法合成納米粉末體的技術(shù)來制備納米材料。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，碳酸鈣逐步實現(xiàn)了表面改性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及超細化的發(fā)展，應(yīng)用價值越來越高，在熔點、催化劑、光熱組和磁性等方面的優(yōu)越性日益增強?？梢哉f，納米碳酸鈣產(chǎn)品的應(yīng)用空間與發(fā)展?jié)摿絹碓酱蟆?/p>

一、納米碳酸鈣的化學(xué)制備方法

（一）凝膠法

凝膠法主要是以凝膠的一端或兩端為依據(jù)，讓Ca2+和CO32-加以擴散，這樣凝膠內(nèi)部可以生成結(jié)晶核，在其位置不變的前提下，能夠?qū)Ш说纳L與生成進行連續(xù)觀察，適應(yīng)于晶體過程的研究。當(dāng)然對不同的條件加以控制，如添加劑的濃度與種類、pH值、Ca2+和CO32-的濃度、凝膠濃度等，可以得到球霞石型或文石型的碳酸鈣。

（二）乳液法

乳液法可以劃分為乳狀液膜法與微乳液法，其中利用前者來制備納米CaCO3時，膜溶劑需選用煤油，讓司本-80（Span-80）座位流動載體與表面活性劑，這樣可以配成水相與油相不相溶的液體混合物，利用電動攪拌器加以攪拌后，這時油相中會分散有微液滴形式Na2CO3水溶液，形成乳液后與Ca（OH）2溶液進行混合攪拌，Ca2+會進入微液滴加以反應(yīng)，從而生成CaCO3超細顆粒。后者則是在兩份完全相同的微乳液中溶入可溶性鈣鹽與可溶性碳酸鹽，在特定情況下混合反應(yīng)之后，需要對小區(qū)域內(nèi)的晶粒生長與成核進行控制，然后將溶劑與晶粒進行分離，從而得到納米碳酸鈣的顆粒。一般來說，微乳液是由水、油、助表面活性劑、表面活性劑組成的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。

（三）復(fù)分解法

復(fù)分解法主要是在一定的工藝情況下，將水溶性碳酸鹽與水溶性鈣鹽進行固-液相反應(yīng)，制備出納米碳酸鈣產(chǎn)品，以此控制生成碳酸鈣的過飽和度以及反應(yīng)物的溫度與濃度，適當(dāng)加熱添加劑則能夠獲得無定性碳酸鈣。如利用此方法制備納米碳酸鈣時，選用碳酸銨與氯化鈣作為原料，其化學(xué)反應(yīng)式為：（NH4）2CO3+CaCl2=2NH4Cl+CaCO3↓，這樣可以制備出高白度與高純度的納米碳酸鈣產(chǎn)品。但是由于碳酸鈣中氯離子無法除盡吸附，而在實際生產(chǎn)中采用的傾析法需消耗大量洗滌用水與時間，因此使用范圍狹小。

（四）碳化法

采用碳化法來制備納米碳酸鈣時，需要精心選擇石灰石，并對其加以煅燒來獲得窯氣與氧氣；然后消化氧化鈣來生成懸浮氫氧化鈣，利用高剪切力作用對其進行粉碎，借助多級旋液來分離與去除雜質(zhì)及顆粒，獲得精制氫氧化鈣懸浮液；適當(dāng)加入晶型控制劑與CO2氣體，得到晶型碳酸鈣漿液，在此基礎(chǔ)上通過表面處理、干燥與脫水等手段獲取納米碳酸鈣。該方法可分為連續(xù)噴霧碳化法與間歇攪拌式碳化法，前者制備的納米碳酸鈣產(chǎn)品具有粒度均勻和細小等特點，平均粒徑多為30nm～40nm，微粒晶型可調(diào)控，投資與能耗相對較小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)能力大。而后者的攪拌氣液具有較大的接觸面積，因此產(chǎn)品的粒徑分布較為狹窄，反應(yīng)相對均勻，但是其需要較大的設(shè)備投資，操作十分復(fù)雜?？偠灾蓟ㄖ苽涞募{米碳酸鈣產(chǎn)品高，具有良好的性價比，在國內(nèi)外的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。

二、納米碳酸鈣的應(yīng)用

對于納米碳酸鈣而言，其作為一種優(yōu)質(zhì)的填料，具有粒子形狀可控、成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于著色和色白質(zhì)純等優(yōu)勢，在橡膠和涂料等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。首先，涂料工業(yè)。納米碳酸鈣多用于水性涂料，以此提高其光澤度、硬度和柔韌性，能夠有效防止沉降情況的發(fā)生；同時借助其存在的“藍移”現(xiàn)象，在膠乳中適當(dāng)添加納米碳酸鈣，可以使涂料形成屏蔽作用，達到防熱老化和抗紫外老化的目的。其次，塑料工業(yè)。在塑料中應(yīng)用納米碳酸鈣時，可以改進塑料的散光性與加工性能，提高耐熱性與塑料尺寸的剛性、硬度、穩(wěn)定性，減少產(chǎn)品的成本，促進塑料體積的增加。由于納米碳酸鈣具有較小的粒徑，可以在塑料的空隙與氣泡中適當(dāng)填充納米碳酸鈣，確保塑料的均勻性。在聚乙烯中添加納米碳酸鈣，可以在一定程度上增加韌性，因此其在聚丙烯和聚氯乙烯塑料等聚合物中的應(yīng)用較廣。最后，橡膠工業(yè)。橡膠中應(yīng)用納米碳酸鈣，不僅可以具備良好的空間立體結(jié)構(gòu)與分散特性，促進材料補強作用的提升，還可以降低橡膠原料的使用，減少成本，增加制品的體積；同時將其與陶土等填料相互配合使用，能夠提高制品的抗張強度與伸性，增強產(chǎn)品質(zhì)量。硬脂酸及其鹽類在增加鈣離子與橡膠的表面濕潤度、納米碳酸鈣的表面改性等方面發(fā)揮著重要的作用。

三、結(jié)束語

納米碳酸鈣作為一種新的固體材料，具有優(yōu)異的性能，將其應(yīng)用于涂料、塑料和橡膠等領(lǐng)域，將會為工業(yè)化生產(chǎn)帶來更大的經(jīng)濟效益與生產(chǎn)價值，具有良好的發(fā)展前途。隨著社會的發(fā)展與科技的進步，對納米碳酸鈣功能化與專用化的要求越來越高，需要完善各種制備方法，采用低廉高效的制備方法，制備高品質(zhì)與高純度的納米碳酸鈣產(chǎn)品，以此滿足不同制品的需求。我們相信，在納米碳酸鈣結(jié)晶過程研究不斷深入以及制備手段進步的背景下，將會形成完善的結(jié)晶理論，實現(xiàn)結(jié)合需求來人為設(shè)計納米碳酸鈣微觀結(jié)構(gòu)的目的。

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