CN109867301A - 生成针状碳酸钙颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生成针状碳酸钙颗粒的方法，包括分别使钙源水溶液及碳酸盐水溶液经由磁场循环受磁第一时间，以获得磁化钙源水溶液及磁化碳酸盐水溶液；混合该磁化钙源水溶液与该磁化碳酸盐水溶液，以产生碳酸钙浆液，使该碳酸钙浆液经由磁场循环受磁第二时间；以及自经循环受磁的该碳酸钙浆液中分离液体和碳酸钙颗粒。
Description
技术领域
本揭露关于一种生成针状碳酸钙颗粒的方法，尤为关于一种利用磁场来控制针状碳酸钙颗粒生成的方法。
背景技术
不同晶型的碳酸钙具有不同的用途，且应用于不同的产业。举例而言，晶型为玫瑰花瓣状碳酸钙可使用于造纸业及橡胶、塑料和涂料产业，其中，于造纸业上，具有提供白度、亮度、不透明度、蓬松度及油墨吸收性等用途；于橡胶、塑料和涂料产业上，具有提供提高涂料孔隙率、吸油亲水性、保水性及综合物理机械性能等用途；棱柱状碳酸钙可使用于造纸业，且具有提供不透明度、强度及体积等用途；针状碳酸钙可使用于杂志纸张及橡胶和塑料产业，其中，于杂志纸张应用上，具有提升纸张光泽度及纤维覆盖率等用途；于橡胶和塑料产业上，具有提升橡胶补强作用及提升塑料的抗冲击及抗弯曲强度等用途；超细链状碳酸钙可使用于橡胶、塑料、纸张及涂料等产业，具有提升橡胶、塑料、纸张及涂料的分散性、提升天然橡胶断裂点的活性，使其与基体间具有更佳的结合能力、提升合成橡胶的补强作用，以作为增强填料，并部分取代碳黑或白碳黑，进而降低生产成本等用途；球状碳酸钙可使用于橡胶、造纸、油墨及塑料等产业，具有提升分散性、比表面积、涂布和填充性能，以改善光泽度、白度、流动性和印刷性等用途；以及，片状碳酸钙可使用于造纸及涂料等产业，具有提升吸墨能力、白度、印刷性、平滑性、光滑度、光泽度、电阻率及弹性系数等用途。
如上述，基于不同晶型的碳酸钙可应于不同的产业，因此，在产业上，碳酸钙的需求量是非常大量的。例如，中国的塑料碳酸钙的需求量为每年大于100万吨，且在造纸产业上，碳酸钙的需求量为每年大于300万吨；台湾的台塑公司在碳酸钙的产能为每年约25万吨；且美国的Speciality Minerals公司在碳酸钙的产能为每年4000万吨。
由上述可知，制备不同晶型碳酸钙在产业上是非常重要的。现有技术使用不同的方法来控制碳酸钙的晶型，例如，提高生产碳酸钙的反应温度、在反应溶液中加入添加剂、使用诸如甲醇的非水溶剂或使用界面活性剂的逆微乳胶法，及超重力碳化法等；然而，该等方法存在些许的缺点，例如，加热会提高碳酸钙的制造成本；添加剂的残留会影响碳酸钙产品的纯度及机械性能；使用非水溶剂和界面活性剂会提高碳酸钙的制造成本、降低反应速度，及造成环境污染等；以及超重力碳化法会使碳酸钙的成核速度过快，而无法控制碳酸钙的晶型，因此，仅适用于制备奈米碳酸钙。
综观而言，仍有需求开发一种不添加任何添加剂、不改变系统温度、不需要特殊反应器、减少能耗并能制备高纯度针状碳酸钙颗粒的方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种针状碳酸钙颗粒的方法。
一种制备针状碳酸钙颗粒的方法，包括：分别使钙源水溶液及碳酸盐水溶液经由磁场循环受磁第一时间，以获得磁化钙源水溶液及磁化碳酸盐水溶液；混合该磁化钙源水溶液与该磁化碳酸盐水溶液，以产生碳酸钙浆液；使该碳酸钙浆液经由磁场循环受磁第二时间；以及自经循环受磁的该碳酸钙浆液中分离液体和碳酸钙颗粒。
本发明的针状碳酸钙颗粒的方法，不添加任何添加剂、不改变系统温度、不需要特殊反应器、减少能耗并能制备高纯度针状碳酸钙颗粒。
附图说明
图1为本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法的流程图；
图2为显示一磁化设备的示意图；
图3为实施例1所形成的针状碳酸钙颗粒电子显微镜照片；
图4为比较例1所形成的球形、立方体形及少数针状碳酸钙颗粒的电子显微镜照片，其中，图4右为图4左的电子显微镜照片的针状碳酸钙颗粒局部放大图；
图5为比较例2所形成的球形及立方体形碳酸钙颗粒的电子显微镜照片；
图6为比较例3所形成的球形及立方体形碳酸钙颗粒的电子显微镜照片；以及
图7为比较例4所形成的球形及立方体形碳酸钙颗粒的电子显微镜照片。
主要组件符号说明
1 磁化设备
10 循环流道
11 磁化装置
11a、11b 磁铁
12 槽体
13 泵浦
14 磁力方向
15 液体流动方向
S1～S4 步骤。
具体实施方式
以下借由特定的具体实施例说明本揭露的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本揭露的其他优点与功效。本揭露也可借由其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本创作的精神下进行各种修饰与变更。
除非文中另有说明，否则说明书及所附申请专利范围中所使用的单数形式「一」及「该」包括多个个体。
除非文中另有说明，否则说明书及所附申请专利范围中所使用的术语「或」包括「及/或」的含义。
如图1所示，本揭露提供一种制备针状碳酸钙颗粒的方法。首先，于步骤S1中，分别使钙源水溶液及碳酸盐水溶液经由磁场循环受磁第一时间，以获得磁化钙源水溶液及磁化碳酸盐水溶液，其中，该第一时间为4小时以上。于一具体实施例中，使该钙源水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间介于3至16小时，而使该碳酸盐水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间介于3至16小时，但使该钙源水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间可不同于使该碳酸盐水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间。此外，该钙源水溶液及碳酸盐水溶液中不含晶相控制剂或其他添加剂。
本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法使用的钙源水溶液并无特别限制，可使用可溶于水的钙盐，也可使用胶体氢氧化钙。于一具体实施例中，该钙源水溶液为氯化钙水溶液。其他钙源包含氢氧化钙。同样地，可使用的碳酸盐包括碳酸钠及碳酸钾。
于本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法中，控制该钙源水溶液及该碳酸盐水溶液的浓度，通常，该钙源水溶液及该碳酸盐水溶液的浓度不高于0.05摩尔/公升，俾使该钙源及该碳酸盐接触后有适合的空间和时间成核，避免过快沉淀，然而，该钙源水溶液及该碳酸盐水溶液的浓度也不宜过低。故，于一具体实施例中，该钙源水溶液及该碳酸盐水溶液的浓度各自为0.1至5克/公升。
其次，于步骤S2中，混合该磁化钙源水溶液与该磁化碳酸盐水溶液，以产生碳酸钙浆液。在此步骤中，混合该磁化钙源水溶液与该磁化碳酸盐水溶液后，以形成碳酸钙沉淀，但所得的碳酸钙颗粒大部分是球形或立方体结晶，仅有少数的针状结晶颗粒。
因此，在步骤S3中，进一步使该碳酸钙浆液经由磁场循环受磁第二时间，该第二时间若过短，例如仅循环受磁4小时，所得的碳酸钙颗粒仍主要是球形或立方体结晶。是以，于一具体实施例中，该第二时间介于6至30小时。于又一具体实施例中，该第二时间介于8至24小时。
在步骤S4中，自经循环受磁的该碳酸钙浆液中分离液体和碳酸钙颗粒，其可利用过滤或离心的方式，分离出碳酸钙颗粒。
此外，根据本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法，利用磁场使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁，通常，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场强度介于2000至10000高斯。于一具体实施例中，管中磁场强度介于7000至9100高斯，平均为8145高斯。又，本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法没有特别限定磁场产生的方式，除了可使用电流产生磁场之外，亦可使用磁铁，即俗称的永久磁铁来产生磁场。
在本案的实施例中使用永久磁铁来产生磁场。由于本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法中，使用磁场磁化该钙源水溶液、碳酸盐水溶液及碳酸钙浆液进行，但没有限制对于钙源水溶液、碳酸盐水溶液及碳酸钙浆液都使用同一磁场以及同一磁场强度。但至少基于便利性的考虑，对于钙源水溶液、碳酸盐水溶液及碳酸钙浆液，可使用相同磁场及/或同一磁场强度。
在使用磁铁产生磁场的实施例中，请参阅图2，其为显示一磁化设备1的示意图。该磁化设备1包括循环流道10；设于该循环流道10的路径上的磁化装置11、槽体12及泵浦13。举例而言，当使用氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液作为钙源水溶液及碳酸盐水溶液时，使用泵浦13馈送氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液由图示的液体流动方向15进入磁化装置11，再流入槽体12，如此往复循环受磁。实施上，该氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液可在不同的循环流道中流动，但以相同的磁化装置11进行磁化处理。此外，该磁化装置11包括至少一对磁铁11a、11b，以形成一由N极指向S极的磁力方向14。于图2所示的实施例中，是由多对磁铁11a、11b产生磁场，例如由10对磁铁11a、11b产生磁场。再者，于一具体实施例中，相邻二该对磁铁11a、11b的磁力方向相反。
因此，依前所述，于一具体实施例中，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场由至少一对磁铁11a、11b产生。于又一具体实施例中，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场由多对磁铁11a、11b产生，且相邻二该对磁铁11a、11b的磁力方向相反。
另一方面，于一具体实施例中，该钙源水溶液为经由循环流道10流经该磁铁11a、11b产生的磁场，且该钙源水溶液通过该磁场的流速为5至100公分/秒。于又一具体实施例中，该钙源水溶液通过该磁场的流速为10至100公分/秒。
磁化碳酸盐水溶液时，该碳酸盐水溶液为经由循环流道10流经该磁铁11a、11b产生的磁场，且该碳酸盐水溶液通过该磁场的流速为5至100公分/秒。于又一具体实施例中，该碳酸盐水溶液通过该磁场的流速为10至100公分/秒。
磁化碳酸钙浆液时，该碳酸钙浆液为经由循环流道10流经该磁铁11a、11b产生的磁场，且该碳酸钙浆液通过该磁场的流速为5至100公分/秒。于又一具体实施例中，该碳酸钙浆液通过该磁场的流速为10至100公分/秒。
根据本揭露的制备针状碳酸钙颗粒的方法，是于常温，例如15℃至40℃使前述的该钙源水溶液及碳酸盐水溶液经由磁场循环受磁第一时间，并于得到该碳酸钙浆液后，使该碳酸钙浆液经由磁场循环受磁第二时间，借由二次受磁的处理，可得到针状的碳酸钙颗粒。此外，本揭露未使用晶型控制剂，故该碳酸钙浆液中也不含晶型控制剂。因此，该碳酸钙颗粒的制备方法不仅节省能源，更可避免因添加剂残留，影响碳酸钙颗粒纯度及其机械性能。
实施例1：以二阶段磁化处理制备碳酸钙颗粒
本实施例为在温度32℃环境下制备针状碳酸钙。首先，分别配制0.009摩尔/公升的氯化钙水溶液及0.009摩尔/公升的碳酸钠水溶液，接着，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过10对磁铁，长度共为30公分所产生强度介于7000至9100，平均为8145高斯的磁场，其中，相邻二该对磁铁的磁力方向相反，并设定氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过该磁场的流速为30公分/秒，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液分别循环受磁4小时，形成磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液。接着，混合磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液，进而产生碳酸钙浆液，接着设定碳酸钙浆液的流速为30公分/秒，使碳酸钙浆液通过前述的磁场循环受磁7小时，最后将经磁化的碳酸钙浆液进行过滤与干燥，获得纯度为97％的碳酸钙。进一步使用电子显微镜对碳酸钙的晶貌进行确认，其结果如图3所示，实施例1以二阶段磁化处理，可制得针状碳酸钙颗粒。
比较例1：仅对氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液进行磁化处理制备碳酸钙颗粒
比较例1为在温度32℃环境下制备碳酸钙颗粒。首先，分别配制0.009摩尔/公升的氯化钙水溶液及0.009摩尔/公升的碳酸钠水溶液，接着，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过10对磁铁，长度共为30公分所产生强度介于7000至9100，平均为8145高斯的磁场，其中，相邻二该对磁铁的磁力方向相反，并设定氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过该磁场的流速为30公分/秒，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液循环受磁4小时，形成磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液。接着，混合磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液，进而产生碳酸钙浆液，最后将该碳酸钙浆液进行过滤与干燥，获得高纯度的碳酸钙。进一步使用电子显微镜对碳酸钙的晶貌进行确认，其结果如图4所示，仅有少数的碳酸钙外型晶貌呈现针状。
比较例2：以较短的第二时间磁化碳酸钙浆液
比较例2为在温度32℃环境下制备碳酸钙颗粒。首先，分别配制0.009摩尔/公升的氯化钙水溶液及0.009摩尔/公升的碳酸钠水溶液，接着，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过10对磁铁，长度共为30公分所产生强度介于7000至9100，平均为8145高斯的磁场，其中，相邻二该对磁铁的磁力方向相反，并设定氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液通过该磁场的流速为30公分/秒，使氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液循环受磁4小时，形成磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液。接着，混合磁化氯化钙水溶液及磁化碳酸钠水溶液，进而产生碳酸钙浆液，接着设定碳酸钙浆液的流速为30公分/秒，使碳酸钙浆液通过前述的磁场循环受磁4小时，最后将经磁化的碳酸钙浆液进行过滤与干燥，获得高纯度的碳酸钙。进一步使用电子显微镜对碳酸钙的晶貌进行确认，其结果如图5所示，比较例2所形成者为球形与立方体形碳酸钙颗粒。
比较例3：仅对碳酸钙浆液进行磁化处理
比较例3为在温度32℃环境下制备碳酸钙颗粒。首先，分别配制0.009摩尔/公升的氯化钙水溶液及0.009摩尔/公升的碳酸钠水溶液，接着，混合氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液，进而产生碳酸钙浆液，再使碳酸钙浆液通过10对磁铁，长度共为30公分所产生强度介于7000至9100，平均为8145高斯的磁场，其中，相邻二该对磁铁的磁力方向相反，并设定碳酸钙浆液通过该磁场的流速为30公分/秒，使碳酸钙浆液循环受磁7小时，最后将经磁化的碳酸钙浆液进行过滤与干燥，获得高纯度的碳酸钙。进一步使用电子显微镜对碳酸钙的晶貌进行确认，其结果如图6所示，比较例3所形成者为球形与立方体形碳酸钙。
比较例4：未经磁化处理以制备碳酸钙颗粒
比较例4为在温度32℃环境下制备碳酸钙颗粒。首先，分别配制0.009摩尔/公升的氯化钙水溶液及0.009摩尔/公升的碳酸钠水溶液，接着，混合氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液，进而产生碳酸钙浆液，最后将碳酸钙浆液进行过滤与干燥，获得高纯度的碳酸钙。进一步使用电子显微镜对碳酸钙的晶貌进行确认，其结果如图7所示，比较例4所形成者为球形与立方体形碳酸钙。
从本揭露的实施例1与比较例1、比较例2、比较例3及比较例4的结果来看，氯化钙水溶液及碳酸钠水溶液混合前经过磁场磁化后，且初始形成的碳酸钙浆液还需进一步经过磁场磁化，且碳酸钙浆液受磁时间不能过短，才能生成针状碳酸钙。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种生成针状碳酸钙颗粒的方法，其特征在于，该方法包括：
分别使钙源水溶液及碳酸盐水溶液经由磁场循环受磁第一时间，以获得磁化钙源水溶液及磁化碳酸盐水溶液；
混合该磁化钙源水溶液与该磁化碳酸盐水溶液，以产生碳酸钙浆液；
使该碳酸钙浆液经由磁场循环受磁第二时间；以及
自经循环受磁的该碳酸钙浆液中分离液体和碳酸钙颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该钙源水溶液及碳酸盐水溶液中不含晶相控制剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该钙源水溶液及该碳酸盐水溶液的浓度各自为0.001至0.05摩尔/公升。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一时间介于3至16小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使该钙源水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间不同于使该碳酸盐水溶液经由该磁场循环受磁的第一时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二时间介于6至30小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场强度介于2000至10000高斯。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场是由永久磁铁提供。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场是由至少一对N极与S极磁铁产生。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆液循环受磁的该磁场是由多对磁铁产生，且相邻二该对磁铁的磁力方向相反。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆为经由循环流道流经该磁铁产生的磁场，且该钙源水溶液、碳酸盐水溶液或碳酸钙浆通过该磁场的流速为5至100公分/秒。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法于15至40℃环境下制备该针状碳酸钙颗粒。
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