CN109133137A - 一种椭球状微纳米碳酸钙及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种椭球状微纳米碳酸钙及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：将碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢铵溶于水配置成CO3 2‑浓度为0.25‑1mol/L的溶液A；将一水乙酸钙或氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.25‑1mol/L的溶液B；在容器中加入丙三醇，记作溶液C；将溶液A加入装有溶液C的烧杯中，搅拌3‑5分钟后，在搅拌下，再加入一定量的溶液B，溶液变浑浊，继续搅拌4‑5h；将所得的白色沉淀离心，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，即得；本发明制得的碳酸钙形貌呈椭球状，在一定范围内，碳酸钙的轴比(长轴和短轴之比)随着丙三醇量的变化而变化，且该制备方法简单易行，易于规模化生产。

Description

一种椭球状微纳米碳酸钙及其制备方法
[技术领域]
本发明属于无机纳米材料领域，具体地说是一种椭球状微纳米碳酸钙及其制备方法。
[背景技术]
碳酸钙是目前用途最广泛的新型工业原料，作为一种性能优良的添加剂和补强剂，被广泛应用于橡胶、塑料、造纸、涂料、纺织、油墨、牙膏、化妆品、日用品、食品、医药等工业，可以提高制品的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性、刚度及可加工性，改善制品的表面色泽，提高制品的整体性能。微纳米碳酸钙性能的优劣主要取决于微纳米碳酸钙产品的化学组成、形态特征、粒度大小等参数，其中最重要的是碳酸钙粒子的形貌和粒度分布。不同形貌的微纳米碳酸钙，其应用领域和功能不同。
由于碳酸钙生长的形貌受碳酸钙晶型的影响，可通过人为地控制碳酸钙结晶，制得具有独特形貌和性能的椭球状微纳米碳酸钙，从而赋予产品更高的应用性能和附加值，是该行业的开发热点。
近些年来，人们在不同形貌微纳米碳酸钙的制备研究中获得了一些成果，但还存在碳酸钙粒子粒度较大、粒度分布不太均匀、分散性较差等问题。因此，需开发新的方法，探索控制粒度细小且分布较均匀、分散性能好的新型形貌微纳米碳酸钙的工艺条件，为今后的工业生产奠定基础。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种产品粒径小、形貌均一、分散性良好的椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，其制备过程简单易行，成本较低，易于规模化生产。
为实现上述目的设计一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：1)将碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵中的一种或几种溶于水配置成CO3 2-浓度为0.25-1mol/L的溶液A；2)将一水乙酸钙或氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.25-1mol/L的溶液B；3)在不同容器中分别加入不同量的丙三醇，丙三醇用于调控碳酸钙形貌，记作溶液C；4)将一定量的溶液A分别加入装有溶液C的烧杯中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入一定量的溶液B，溶液变浑浊并出现白色沉淀，继续搅拌4-5h；5)将步骤4)所得的白色沉淀离心，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，即得到形貌为椭球状的微纳米碳酸钙。
进一步地，步骤3)中，所述丙三醇的添加量为10-20g。
进一步地，步骤3)中，所述丙三醇的添加量为12.53-13.03g。
进一步地，步骤3)中，所述丙三醇的添加量为20-50g。
进一步地，步骤3)中，不同容器中分别加入不同量的丙三醇，形成不同轴比的椭球状微纳米碳酸钙。
进一步地，步骤4)中，所述溶液A加入溶液C后温度控制为不高于15℃。
根据上述制备方法得到的即为椭球状微纳米碳酸钙，所述椭球状微纳米碳酸钙的平均轴比为1-2。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明提供了一种产品粒径小、形貌均一、分散性良好且操作简单的椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，其制得的碳酸钙形貌呈椭球状，在一定范围内，碳酸钙的轴比(长轴和短轴之比)随着丙三醇量的变化而变化；
(2)本发明通过以丙三醇作为溶剂，改变其质量，由丙三醇作碳酸钙晶型的控制剂，通过改变反应物种的质量比，制备出了椭球状微纳米碳酸钙，其轴比大小为1-2，大小分布均匀，制备过程简单易行，成本较低，易于规模化生产；
(3)本发明制备椭球状微纳米碳酸钙还可以通过控制合成温度，容易实现微纳米碳酸钙的改性，适合椭球状微纳米碳酸钙的工业化生产。
[附图说明]
图1是本发明实施例1中所制得椭球状微纳米碳酸钙的扫描电镜图；
图2是本发明实施例2中所制得椭球状微纳米碳酸钙的扫描电镜图；
图3-1和图3-2是本发明实施例3中所制得椭球状微纳米碳酸钙的扫描电镜图；
图4是本发明实施例4中所制得椭球状微纳米碳酸钙的扫描电镜图；
图5是本发明所制备的椭球状微纳米碳酸钙的小角XRD图谱。
[具体实施方式]
本发明提供了一种有机溶剂多元醇控制的椭球状微纳米碳酸钙及其制备方法，其经大量的实验研究发现，通过控制丙三醇的添加量，可以得到椭球状微纳米碳酸钙。实现本发明的主要技术方案是：以乙酸钙、碳酸钠为原料，改变丙三醇的量来控制形貌而合成；首先称取不同量的丙三醇(甘油)，依次加入乙酸钙和碳酸钠溶液进行液相反应，搅拌至出现白色沉淀，最后离心、洗涤、干燥，即得到椭球状微纳米碳酸钙。
本发明所述制备方法具体包括以下步骤：(1)将碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵中的一种或几种溶于水配置成CO3 2-浓度为0.25-1mol/L的溶液A；(2)将一水乙酸钙或氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.25-1mol/L的溶液B；(3)在不同容器中先分别加入不同量的丙三醇(10g-20g、12.53g-13.03g、20g-50g)，记作溶液C；(4)将一定量的乙酸钙溶液分别加入丙三醇溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入一定量的碳酸钠溶液，溶液变浑浊并出现白色沉淀，继续搅拌4-5h；(5)将步骤(4)所得的白色沉淀离心，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，即得到最终产品。
上述步骤(1)和(2)中碳酸钙溶液和乙酸钙溶液浓度较低，利于纯椭球状碳酸钙的形成。步骤(3)丙三醇为新添加有机物，用于调控碳酸钙形貌。步骤(3)中丙三醇的添加量不同，形成不同轴比的椭球状微纳米碳酸钙，在一定范围内，随着丙三醇量的增大，有利于椭球状微纳米碳酸钙的形成，且粒径变小，分散性变好。最终产品的形貌为椭球状，椭球状形貌可以提高分散性、均匀性，有利于提高产品的综合力学性能。最终产品的平均轴长比为1-2，平均轴长比是累计轴长比分布百分数达到50％时所对应的比值，在该范围内的产品的分散性好，过大或过小的均不利于分散，不利于作为制品添加剂。
下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明，但本发明并不仅限于以下实施例：
本发明的各种实施例中所述的方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明的各种实施例中所用的原料如无特别说明，均能从公开的商业途径购买得到。
本发明的各种实施例中所用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升等为计量单位。
本发明的各种实施例中所用的仪器或设备型号及生产厂家的信息如下：
鼓风干燥箱，型号DHG-9920A，生产厂家：上海一恒科学仪器有限公司；
真空干燥箱，DZF-6030A，上海一恒科学仪器有限公司；
扫描电子显微镜(SEM)，S-3400N日本日立公司。
实施例1
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸钠溶于水配置成CO3 2-浓度为0.75mol/L的溶液A；
(2)将一水乙酸钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.75mol/L的溶液B；
(3)在六个不同容器中先分别加入10g、12g、13g、15g、18g、20g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。如图1所示，制备的碳酸钙为球形和椭球状混合型。在丙三醇量为10g时，所制备的微纳米碳酸钙为球形，随着丙三醇量的增加，在加入13g丙三醇控制下出现了椭球形微纳米碳酸钙，再随着丙三醇量的增加，所制备的微纳米碳酸钙棱角分明，为椭球状微纳米碳酸钙，长轴为1-2μm左右，短轴为0.5-1μm左右，轴比为1.5。
实施例2
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸钠溶于水配置成CO3 2-浓度为0.75mol/L的溶液A；
(2)将一水乙酸钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.75mol/L的溶液B；
(3)在六个不同容器中先分别加入12.53g、12.63g、12.73g、12.83g、12.93g、13.03g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。如图2所示，丙三醇添加量在13g左右时，设置一系列小的浓度范围，以确定最佳的丙三醇量制备椭球状微纳米碳酸钙。在丙三醇的量为12.53g时，所制备的微纳米碳酸钙为球形形貌，尺寸为650-800nm；在丙三醇的量为12.63g时，所制备的微纳米碳酸钙形貌为椭球状，长轴为2μm左右，短轴为1-1.5μm，轴比为1.5；在一定范围内，随着丙三醇量的增加，所制备的微纳米碳酸钙形貌为椭球状，且轴长比也随之增加，棱角分明，分散度好。
(7)采用X-射线衍射仪(XRD)对上述丙三醇量为12.63g下所制备的微纳米碳酸钙进行分析，其小角XRD图谱如图5所示，从图5中可以看出有几个不同的峰，在控制剂丙三醇量小于12.63g时，所制备的微纳米碳酸钙是由混合型晶体构成，其形貌为椭球状。随着丙三醇量的改变，其形貌也有所变化，说明丙三醇对碳酸钙的形貌有调控作用；且在低温时，更有利于椭球状碳酸钙的形成。
实施例3
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸钠溶于水配置成CO3 2-浓度为0.75mol/L的溶液A；
(2)将一水乙酸钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.75mol/L的溶液B；
(3)在五个不同容器中先分别加入20g、25g、30g、40g、50g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。如图3所示，放大丙三醇添加量，设置一系列大的浓度范围，以确定最佳的丙三醇量制备椭球状微纳米碳酸钙。在丙三醇的量为20g时，所制备的微纳米碳酸钙为球形和椭球形貌混合型；在丙三醇的量为30g时，所制备的微纳米碳酸钙形貌出现层状立方体形貌，边长为1μm左右；在一定范围内，随着丙三醇量的增加，所制备的微纳米碳酸钙形貌为层状立方体形，且边长也随之增加，棱角分明，分散度好。
实施例4
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸钠溶于水配置成CO3 2-浓度为0.75mol/L的溶液A；
(2)将一水乙酸钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.75mol/L的溶液B；
(3)在三个不同容器中先分别加入12.63g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，置于三种不同温度(15℃、20℃、25℃)下，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再分别加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。如图4所示，控制丙三醇量为12.63g时，对比温度对其形貌的影响。在15℃时，形成的微纳米碳酸钙为椭球形，轴长为1.5μm左右，短轴为800nm左右，轴比为1.5左右，分散度好；当温度升高时，椭球形微纳米碳酸钙变为球形，说明低温有利于控制合成椭球状微纳米碳酸钙
实施例5
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸钾溶于水配置成CO3 2-浓度为0.25mol/L的溶液A；
(2)将氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.25mol/L的溶液B；
(3)在六个不同容器中先分别加入12.53g、12.63g、12.73g、12.83g、12.93g、13.03g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。可知，丙三醇的量为12.53g时，所制备的微纳米碳酸钙为球形形貌；在丙三醇的量为12.63g时，所制备的微纳米碳酸钙形貌为椭球状，轴比为1.5；且随着丙三醇量的增加，所制备的微纳米碳酸钙形貌为椭球状，且轴长比也随之增加，棱角更分明，分散度更好。
实施例6
一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳酸氢铵溶于水配置成CO3 2-浓度为1mol/L的溶液A；
(2)将氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为1mol/L的溶液B；
(3)在五个不同容器中先分别加入20g、25g、30g、40g、50g丙三醇，记作溶液C；
(4)将3mLA溶液分别加入C溶液中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入2mLB溶液，溶液变浑浊，继续搅拌4-5h；
(5)停止反应，倒去上清液，离心所获得的白色沉淀，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，得到最终产品。
(6)采用扫描电子显微镜对上述所得的碳酸钙产品进行观察。在丙三醇的量为20g时，所制备的微纳米碳酸钙为球形和椭球形貌混合型；在丙三醇的量为30g时，所制备的微纳米碳酸钙形貌出现层状立方体形貌；且随着丙三醇量的增加，所制备的微纳米碳酸钙形貌为层状立方体形，且边长也随之增加，棱角更分明，分散度更好。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种椭球状微纳米碳酸钙的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵中的一种或几种溶于水配置成CO3 2-浓度为0.25-1mol/L的溶液A；
2)将一水乙酸钙或氯化钙溶于水，形成Ca2+浓度为0.25-1mol/L的溶液B；
3)在不同容器中分别加入不同量的丙三醇，丙三醇用于调控碳酸钙形貌，记作溶液C；
4)将一定量的溶液A分别加入装有溶液C的烧杯中，搅拌3-5分钟后，在搅拌下，再加入一定量的溶液B，溶液变浑浊并出现白色沉淀，继续搅拌4-5h；
5)将步骤4)所得的白色沉淀离心，用去离子水反复洗涤，放在60℃烘箱真空干燥过夜，即得到形貌为椭球状的微纳米碳酸钙。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述丙三醇的添加量为10-20g。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述丙三醇的添加量为12.53-13.03g。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述丙三醇的添加量为20-50g。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，不同容器中分别加入不同量的丙三醇，形成不同轴比的椭球状微纳米碳酸钙。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述溶液A加入溶液C后温度控制为不高于15℃。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述的制备方法得到的椭球状微纳米碳酸钙。
8.如权利要求7所述的椭球状微纳米碳酸钙，其特征在于：所述椭球状微纳米碳酸钙的平均轴比为1-2。
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