CN1361063A - 一步碳化制备尺寸为80-100nm的立方体碳酸钙的方法 - Google Patents

一步碳化制备尺寸为80-100nm的立方体碳酸钙的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,在重量浓度为10~12%,温度为20~25℃之间的氢氧化钙乳浆中,加入一定量的复合晶形控制剂充分搅拌,然后引入鼓泡碳化塔中,以50~80升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入二氧化碳气体,通冷水控制碳化温度不超过60℃,碳化50~70分钟后,碳化乳液的pH值降低到7~8之间时停止碳化,从而一步碳化合成出粒径在80~100nm的立方体碳酸钙。本发明方法易于工业化生产,生产成本低,生产效率高,生产的碳酸钙晶体为立方体,形状单一、规整,粒径分布较窄,颗粒稳定,并且具有良好的分散特性。本发明方法生产的碳酸钙可广泛应用于高档涂料、油墨、纸张、塑料、PET薄膜,特别是具有高附加值的硅橡胶产品。

Description

一步碳化制备尺为80~100nm的立方体碳酸钙的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米碳酸钙的制备方法。
背景技术
目前,制备纳米碳酸钙较为常用的方法有间歇鼓泡法和连续喷雾法,最近又出现了超重力法。鼓泡法操作简单,成本较低,但碳化过程难以控制,最终产品往往是多种形貌共存、粒径分布较宽;连续喷雾法虽然有利于优化碳化过程,但碳化时间长,生产效率低,能耗大,且喷嘴易被堵塞,影响正常生产;超重力法,在超重力场的作用下,强化了碳化过程的微观混合和微观传质过程,缩短了碳化时间,但设备成本较高,能耗也较大。上述三种方法,实际上都是通过“液-气法”制备沉淀碳酸钙,将石灰乳与二氧化碳气体在低温下反应,生成凝胶碳酸钙,它往往是立方颗粒、球形颗粒及不规则形颗粒的混合,颗粒尺寸约为40nm,非常容易团聚,将它们用作塑料和橡胶填料时,很难将它们分散开。为了避免团聚,要用有机酸对其颗粒表面进行包覆,或者用具有40nm大小的碳酸钙颗粒为晶种,再次碳化,使颗粒长大,但这种方法,晶粒在长大的同时,又有新的晶粒形成,得到的碳酸钙尺寸变化范围大。
中国专利(公开号CN-1179401A),介绍了一种晶形纳米碳酸钙的合成方法,其特征是加入螯合剂乙二胺四乙酸作为晶形控制剂,三氯化铝为分散剂,合成链状碳酸钙。
中国专利(公开号CN-1150125A),介绍了一种片状超细碳酸钙的生产工艺,该工艺采用一种液化氨的碳酸盐作为复合分解剂进行复分解反应,合成的碳酸钙的粒径在10~1000nm之间。
美国专利(4124688)提供了一种用于制备尺寸约为0.1~1微米的立方体碳酸钙晶体的方法,该方法包括,第一步将含有氢氧化钙和立方体碳酸钙晶体的起始水悬浮液喷射到含有二氧化碳的气体中,以及第二步将氢氧化钙加入到由第一步产生的水悬浮液中,并且将该混合物喷射到含有二氧化碳的气体中。
美国专利(5075093)描述了石灰乳的两步碳化法,其中经过部分碳化的石灰乳与含有碱金属碳酸盐或氢氧化物的含水碳化溶液混合,从而使氢氧化钙得到碳化,结果获得具有片状结构的颗粒,其厚度为0.1~0.3微米,片平面的长、宽为0.5~2微米。
上述专利介绍的碳酸钙的制备方法,均存在制备的碳酸钙晶体的粒径大、粒径分布不均匀、颗粒不稳定、生产工艺复杂、生产成本高的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,该方法生产程序简约,生产成本低,生产效率高,生产的碳酸钙形状单一、规整,粒径分布较窄,颗粒稳定。
本发明一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征是采用传统的鼓泡碳化装置,氢氧化钙乳浆的重量浓度为10~12%,碳化前的温度在20~25℃之间,将一定量的复合晶形控制剂加进氢氧化钙乳浆中,充分搅拌,使复合晶形控制剂均匀地分布在氢氧化钙乳浆中;二氧化碳的体积含量为25~35%,以50~80升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入上述氢氧化钙乳浆中,通冷水控制碳化温度不超过60℃,碳化50~70分钟后,碳化乳液的pH值降低到7~8之间时停止碳化,从而一步碳化合成出粒径在80~100nm的立方体碳酸钙。
本发明所述的复合晶形控制剂是一种以甲基聚氧硅烷为主体及少量聚乙烯醇、吐温-80、水乳化而成的一种乳化液,甲基聚氧硅烷的分子式可由下式表示:
Figure A0211476900041
其中n=5~15。甲基聚硅氧烷的重量含量为10~15%,聚乙烯醇的重量含量为2~5%,吐温-80的重量含量为3~5%,水的重量含量为75~85%。复合晶形控制剂的加入量为氢氧化钙的0.2~0.8%,最好为氢氧化钙的0.5%。
本发明方法易于工业化生产,生产成本低,生产效率高,生产的碳酸钙粒径在80~100nm之间,晶形为立方体,形状单一、规整,粒径分布较窄,颗粒稳定,并且在最终产品中具有良好的分散特性。作为塑料填料,可明显改善塑料制品的电性能、阻燃性能、耐冲击性能及加工性能;作为硅橡胶填料,可与硅橡胶分子之间形成架桥作用,结合牢固,大量取代白炭黑被广泛地应用于高档的硅橡胶制品;将其填充在硅橡胶中,能够使制品表面光艳、伸长度大、抗张力强、耐弯曲、龟裂性良好,是优良的白色补强填料。本发明方法生产的碳酸钙可广泛应用于高档涂料、油墨、纸张、塑料、PET薄膜,特别是具有高附加值的硅橡胶产品。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
在浓度为11%,温度为22℃的氢氧化钙乳浆中加入0.5%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由15%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、2%(重量)吐温-80、80%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为30%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,53分钟后,浆液的pH值下降为7.3,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒分散较好,形状为立方体,平均粒径为85nm,粒径分布较窄。
实施例2
在浓度为11%,温度为22℃的氢氧化钙乳浆中加入1%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由12%(重量)甲基聚氧硅烷、5%(重量)聚乙烯醇、3%(重量)吐温-80、80%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·氢氧化钙的速度通入体积含量为25%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,50分钟后,浆液的pH值下降为7.5,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒呈团聚状态,形状为链状体,粒径为500nm,长径比为1∶8。
实施例3
在浓度为11%,温度为22℃的氢氧化钙乳浆中加入0.1%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由12%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、3%(重量)吐温-80、82%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为28%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,65分钟后,浆液的pH值下降为7.8,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒分散不好,形状为立方体、纺锤体、球体的共混物,平均粒径为40~8nm之间,粒径分布较宽。
实施例4
在浓度为11.5%,温度为24℃的氢氧化钙乳浆中加入0.7%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由13%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、4%(重量)吐温-80、80%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为30%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,60分钟后,浆液的pH值下降为7.2,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒分散较好,形状为立方体,平均粒径为80nm,粒径分布较窄。
实施例5
在浓度为13%,温度为23℃的氢氧化钙乳浆中加入0.5%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由10%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、2%(重量)吐温-80、85%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为32%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,70分钟后,浆液的pH值下降为7.5,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒呈团聚状态,形状为纺锤体,平均粒径为300nm,粒径分布较窄。
实施例6
在浓度为13%,温度为23℃的氢氧化钙乳浆中加入0.5%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由15%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、2%(重量)吐温-80、80%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为32%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,70分钟后,浆液的pH值下降为7.5,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒呈团聚状态,形状为纺锤体,平均粒径为300nm,粒径分布较窄。
实施例7
在浓度为11.5%,温度为23℃的氢氧化钙乳浆中加入0.5%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由15%(重量)甲基聚氧硅烷、5%(重量)聚乙烯醇、5%(重量)吐温-80、75%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约100升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为35%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,通冷水控制温度,45分钟后,浆液的pH值下降为7.5,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒呈团聚状态,形状为片状体,平均粒径为200nm,厚度为30纳米,粒径分布较宽。
实施例8
在浓度为11.5%,温度为24℃的氢氧化钙乳浆中加入0.5%的复合添加剂,复合晶形控制剂是一种由15%(重量)甲基聚氧硅烷、3%(重量)聚乙烯醇、2%(重量)吐温-80、80%(重量)水乳化而成的一种乳化液,充分搅拌,然后把该浆液引入一容积为60升的鼓泡碳化塔中,以约60升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入体积含量为35%的二氧化碳气体碳化,碳化过程中,不通冷水控制温度,50分钟后,浆液的pH值下降为7.2,停止碳化,取部分浆液过滤,烘干,磨碎,透射电镜下观察,碳酸钙颗粒分散不好,形状为立方体,粒径为40~100nm,粒径分布较宽。
由以上实施例可以明显看出,利用本发明方法可以一步碳化合成粒径在80~100nm之间的立方体碳酸钙。

Claims (5)

1、一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征是采用传统的鼓泡碳化装置,氢氧化钙乳浆的重量浓度为10~12%,碳化前的温度在20~25℃之间,将一定量的复合晶形控制剂加进氢氧化钙乳浆中,充分搅拌,使复合晶形控制剂均匀地分布在氢氧化钙乳浆中;二氧化碳的体积含量为25~35%,以50~80升/分钟·公斤氢氧化钙的速度通入上述氢氧化钙乳浆中,通冷水控制碳化温度不超过60℃,碳化5070分钟后,碳化乳液的pH值降低到7~8之间时停止碳化,从而一步碳化合成出粒径在80~100nm的立方体碳酸钙。
2、根据权利要求1所述的一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征在于:所述的复合晶形控制剂是一种以甲基聚氧硅烷为主体及少量聚乙烯醇、吐温-80、水乳化而成的一种乳化液,甲基聚氧硅烷的分子式可由下式表示:
Figure A0211476900021
其中n=5~15。
3、根据权利要求2所述的一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征在于:甲基聚硅氧烷的重量含量为10~15%,聚乙烯醇的重量含量为2~5%,吐温-80的重量含量为3~5%,水的重量含量为75~85%。
4、根据权利要求1所述的一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征在于:复合晶形控制剂的加入量为氢氧化钙的0.2~0.8%。
5、根据权利要求4所述的一步碳化制备尺寸为80~100nm立方体碳酸钙的方法,其特征在于:复合晶形控制剂的加入量为氢氧化钙的0.5%。
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