碳酸鈣晶須的一步碳化法制備及應(yīng)用研究.pdf

1、碳酸鈣晶須是一種環(huán)境友好型晶須材料，具有原料來源廣泛、性能優(yōu)良、無毒、價格低廉等優(yōu)點，可用于塑料、涂料、橡膠、摩擦材料、造紙、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，因此碳酸鈣晶須的制備及應(yīng)用技術(shù)引起了人們越來越多的關(guān)注。然而在我國此種產(chǎn)品卻仍然處于研究與開發(fā)階段，與日本、美國相比有較大差距。本文系統(tǒng)研究了碳酸鈣晶須的制備、表面改性技術(shù)，并將改性后的晶須應(yīng)用于聚丙烯(PP)樹脂中，研究晶須對復(fù)合材料的增韌、增強效果。
　　 以生石灰為原料，在普通重力場中，

2、采用工業(yè)上制備輕質(zhì)碳酸鈣的碳化法，以可溶性磷酸鹽為晶型控制劑，首次采用一步法合成晶型完整、長徑比大、尺寸均勻的碳酸鈣晶須。測定晶型控制劑添加量、初始石灰乳濃度、反應(yīng)溫度、二氧化碳通氣速度、攪拌轉(zhuǎn)速等合成條件對產(chǎn)品性能的影響，得到合成碳酸鈣晶須的適宜條件。結(jié)果表明，將消化后的熟石灰配制成3.0wt.％的乳液，控制n(P/Ca)(可溶性磷酸鹽與Ca(OH)2物質(zhì)的量比值）為0.25，反應(yīng)溫度75℃，CO2通入速度16.2L/(h·kgCa(

3、OH)2)，攪拌轉(zhuǎn)速2000rpm,可制備出結(jié)晶良好、文石相含量88.3％、晶須長度及長徑比分別為23μm、15.3的碳酸鈣晶須產(chǎn)品，所得產(chǎn)品結(jié)晶程度高，穩(wěn)定性好。
　　 借助于X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅立葉紅外光譜（FTIR）、熱重-差示掃描量熱分析(TG-DSC)等檢測手段，結(jié)合晶體化學(xué)、物理化學(xué)等經(jīng)典理論，分析碳酸鈣晶須結(jié)晶過程中可溶性磷酸鹽的控制作用機理，研究文石碳酸鈣晶

4、須的晶體生長規(guī)律。研究結(jié)果表明，在最開始的料漿中加入可溶性磷酸鹽以后，磷酸鹽與Ca(OH)2反應(yīng)生成了熱力學(xué)上最穩(wěn)定的磷酸鈣化合物-羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(HA),HA呈短柱狀，長度約80nm，寬度約20nm。通入CO2初期，[CO32-·(OH)]與[PO43-]發(fā)生部分替代，形成B型碳酸羥基磷灰石(B-HA)，以此作為結(jié)晶中心誘導(dǎo)文石相碳酸鈣的異相成核，另有一部分HA選擇吸附在碳酸鈣的側(cè)面，控制其的生長狀態(tài)，Ca2

5、+與CO32-不斷疊加生長成為文石相碳酸鈣晶須。
　　 采用單因素條件試驗方法，選用硬脂酸、硬脂酸鈉、十八酸鋅、鈦酸酯等表面改性劑對碳酸鈣晶須進行濕法表面改性。采用活化指數(shù)、接觸角作為改性效果評價指標。分別考查了改性劑種類、用量、初始料漿濃度、改性溫度、改性時間、攪拌轉(zhuǎn)速、烘干溫度等因素對表面改性效果的影響，得到了碳酸鈣晶須適宜的改性條件。優(yōu)選出硬脂酸鈉進行改性，當(dāng)改性劑用量3％，初始料漿濃度為8％，改性溫度為80℃，改性時間為

6、20min,攪拌轉(zhuǎn)速為1500rpm，烘干溫度為100℃，烘干時間為3h時，改性產(chǎn)品的活化指數(shù)、接觸角、吸油量分別達到100％、146.66°、64ml/100g，晶須的分散性和流動性也明顯提高。
　　 結(jié)合SEM、XRD、TG-DSC、FTIR等檢測手段，分析了硬脂酸鈉對碳酸鈣晶須的改性機理。結(jié)果表明，硬脂酸鈉沒有改變文石碳酸鈣晶須的物相，當(dāng)在碳酸鈣晶須料漿中加入硬脂酸鈉的無水乙醇溶液后，CH3(CH2)16COO-離子和Ca

7、2+、Ca(OH)+、CaHCO3+離子結(jié)合生成難溶的(CH3(CH2)16COO)2Ca膜包覆在碳酸鈣晶須的表面。在碳酸鈣晶須與硬脂酸根的吸附中，存在化學(xué)吸附與物理吸附層，化學(xué)吸附層非常牢固，物理吸附層比較容易解吸。
　　 將改性后的碳酸鈣晶須按照不同比例添加到PP樹脂基體中，考查碳酸鈣晶須對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。選擇懸臂梁缺口沖擊強度衡量復(fù)合材料韌性的改變、拉伸強度和拉伸彈性模量兩個參數(shù)衡量復(fù)合材料剛性的改變、斷裂伸長率衡