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《吉林大学》 2011年
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功能性纳米碳酸钙的制备及性质研究

关爽  
【摘要】:纳米材料作为纳米科学的一个重要研究发展方向,近年来被越来越多的人关注,已经成为材料科学研究的热点。随着纳米技术的发展,人们对纳米材料研究更加深入。无论在技术研究领域还是在工业应用上,人们已经不再满足于对单一纳米材料的制备以及性质研究,而是把目光更多的投注到对材料的各种功能性的不断探索以及如何更好的将功能性纳米材料添加到有机,高分子材料中,从而得到性质更加优异,应用更加广泛的纳米无机-高分子复合材料。在过去的几十年中,很多种纳米无机-高分子复合材料已经被证实认可具备优异的性质,作为先进的材料被应用到更多的领域,比如:光学、电子学、机械力、催化、传感、生物等各个方面。但是,无机纳米材料应用于复合材料中的效果会受到其分散性,表面性质,结构形态等因素的影响。因此,有针对性的提高改善功能性纳米材料的性质,采用不同的制备方法以及修饰控制剂,设计制备功能性纳米材料,使其能够有效的添加到高分子材料中,对于纳米无机-高分子复合材料的研究发展有重要意义。 碳酸钙是一种重要的化工原料,具有原料丰富易得,生产工艺简单,应用性能优良等特点,作为无机填料被广泛应用于橡胶、塑料、油墨、造纸、医药、食品等工业。目前,碳酸钙的基本合成方法主要可以分为液相沉淀法和气相碳化法。其中,气相碳化法由于其环境友好,设备高效,原料易得等优势被广泛应用于工业生产。作为一种新兴的工业原料,纳米碳酸钙产品的粒度大小、分散性、结构形貌、表面性质影响并决定了其功能性及应用领域。因此,本论文中采用气相碳化法,发展优化反应工艺,有针对性选取不同的修饰剂,改善纳米碳酸钙的团聚现象,改变碳酸钙晶体的表面性质及结构形态,制备功能性纳米碳酸钙产品。使纳米碳酸钙产品能够更好的添加到有机高分子材料中,扩大其应用领域,使其具有更高的附加值。论文主要研究内容概括如下: (1)采用鼓泡法合成纳米碳酸钙并在此基础上发展出二次碳化工艺,合成制备纳米碳酸钙。考察研究了碳化反应过程中体系初始温度对产品纳米碳酸钙粒子的大小、形貌的影响并分析原因。在实验过程中通过检测体系中不同阶段产品的晶型以及体系电导率及pH值的变化来进一步细化明确碳化法制备纳米碳酸钙的反应过程,从而更好的理解碳化反应,为后续功能性纳米碳酸钙的合成做好基础。在理解碳化过程的基础上,为了更好的发展碳化反应工艺,得到粒子分布均匀,分散性好的纳米碳酸钙产品,进一步发展改善了碳化工艺,采用二次碳化法,所得产品纳米碳酸钙粒子分布均匀,并且分散性好,晶型更完善。 (2)采用鼓泡二次碳化法以柠檬酸,棕榈酸的氨溶液为控制剂合成制备疏水链状纳米碳酸钙粒子。考察研究体系温度,柠檬酸及棕榈酸的加入量,二次碳化条件等反应条件对疏水链状纳米碳酸钙粒子的生长及产品晶形、分散性、表面性质的影响。采用红外光谱,透射电镜,X-射线衍射,热重分析以及接触角测试等检测手段对产品进行表征,并初步探讨了疏水链状纳米碳酸钙粒子的形成机理。将所得产品应用添加于聚乙烯材料中,产品碳酸钙能很好的分散在聚乙烯中,并使聚乙烯的初始热分解温度提高,热稳定性增加。 (3)采用鼓泡法以十六酸为修饰剂,原位合成疏水枝状纳米碳酸钙粒子。在原位合成过程中,十六酸的加入有效的影响了合成粒子的大小、形貌以及表面性质,使纳米碳酸钙由立方状变为枝状,表面性质由亲水转变为疏水。反应温度以及十六酸的加入量决定了产品的活化度。十六酸的加入影响了碳酸钙产品的粘度,使碳酸钙产品的粘度增大,从而满足了油墨、涂料等行业对于碳酸钙的粘度的特殊要求。 (4)采用鼓泡法分别以甜菜碱一磷酸酯、聚乙二醇一磷酸酯为修饰剂,原位合成纳米碳酸钙粒子。为了使纳米碳酸钙能更好的应用于聚酯原位复合材料的制备中,其在乙二醇体系中的稳定分散至关重要。因此,选择甜菜碱一磷酸酯、聚乙二醇-磷酸酯为修饰剂,原位合成纳米碳酸钙,得到粒子在乙二醇中可以长期稳定分散。修饰剂的加入不仅在微观结构上对纳米碳酸钙产生了影响,而且改变了产品粒子的表面性质。表面电位的改变以及空间位阻的产生有效的改善了纳米碳酸钙粒子在乙二醇体系中分散性,从而其能够更好的应用于聚酯复合材料的原位制备。 (5)考察纳米碳酸钙与普通碳酸钙热力学行为的区别并分析原因。通过实验比较了重钙、轻钙、纳米碳酸钙的热分解过程,确定其在350-500℃温度下,不同的碳酸钙热失重不同。分析确定其失重产物及原因。初步确定失重为化学法合成碳酸钙的过程中碳酸钙生长结晶缺陷所致。通过加热、陈化可以使失重有效的减少或者避免。经过处理,不失重失水的纳米碳酸钙添加到聚酯材料中避免了其由于失水对聚酯体系的影响,对发展聚酯纳米复合材料的制备方法以及提高其性能有促进作用。 综上所述,本文以我国产量丰富的石灰石矿产为资源,采用环境友好,工业生产中可执行性强的鼓泡碳化法为实验方法,研究制备功能性纳米碳酸钙产品。通过对鼓泡碳化法工艺的研究发展优化以及根据需要在反应过程中设计引入不同的修饰控制剂,实现了对产品碳酸钙粒子的分散性的提高,结构形态的改变以及表面性质的调控。从而使纳米碳酸钙作为无机填料,能够有效的应用于高分子复合材料中,对于提高碳酸钙产品的附加值以及高分子材料的应用性质有重要意义。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O614.231

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