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超微细无定形碳酸钙粉体的制备、改性及其应用

孔祥波  
【摘要】:碳酸钙是一种常见的无机粉体材料,广泛应用于造纸、塑料、橡胶、建筑材料、日用化工等行业中。碳酸钙有无定形碳酸钙(ACC)、方解石、文石、球霰石、单水合碳酸钙和六水合碳酸钙共六种晶型。ACC是转变为其他碳酸钙晶型的前驱体,具有更小的尺寸、更好的溶解性、可控性和分散性,不同晶型和形貌的碳酸钙具有不同使用效果。现有ACC的制备均有添加剂协助,更多的是从低温、快速反应、仿生矿化角度去研究,尚无人开发可大规模生产ACC的工业技术。对于ACC形成、稳定和转化因素缺乏深入系统的研究。因此,至今ACC产品优异的分散、增强、增韧性能在复合新材料中的应用潜力尚未得到开发。开发能够大规模获得稳定ACC的生产工艺具有学术价值和很好的应用前景。摸索ACC的工业化生产、稳定及向其它晶型转化的方法,开发ACC产品的应用领域是本论文的主攻方向。本文发现在含Mg2+的乙醇-水混合反应体系中可以合成稳定的ACC,发明了常温常压下CaC12-NH3-C02法或(NH2CHC00)2Ca-CO2法合成无定形碳酸钙的新工艺。1)Ca2+/Mg2+浓度比小于8,乙醇-水体积比大于3的反应体系中,30℃-50℃,pH值大于8.5的条件下,可制备出团聚体直径大约为50-100 nmACC,产品可以在溶液中稳定存在和烘干保存。2)摸索了 ACC转变成为特定晶型碳酸钙的简单工艺条件。发现粉体无定形碳酸钙在100℃受热情况下是稳定的;在200℃受热情况可转化文石;在300℃-400℃可以快速转化为方解石。ACC在水溶液中可转变成方块状的方解石;在甘氨酸溶液中则可转变成球状的球霰石。在含Mg2+的乙醇-水体系中陈化24 h可得到文石型碳酸钙。3)通过原位改性的简单方法得到了改性无定形碳酸钙,研究了硬脂酸用量、醇-水体积比对改性效果的影响,硬脂酸用量为碳酸钙质量的6%时改性效果最好,醇-水体积比对改性碳酸钙的粒径有一定的影响。本论文中研究了不同晶型碳酸钙对粘胶剂性能的影响,发现碳酸钙在增加粘胶剂粘胶强度实验中取得了出色的应用效果,尤其是球霰石碳酸钙性能最为突出。本论文重点评价了改性碳酸钙在沥青、PVC、PP、PP/PE复合再生塑料中的使用情况。实验结果表明,本实验制备的改性碳酸钙对塑料具有增强、增韧、增塑的效果。在大量添加改性碳酸钙的情况下,塑料的加工和力学性能不受影响。改性碳酸钙添加量为PP质量的50%时,PP韧性增强,表现在抗冲击力大幅提高达纯品的1.35倍,拉伸强度与原PP相比仅下降了 20%。除此之外,改性碳酸钙能够全面提高PP/PE再生复合塑料的性能,大幅降低生产成本。本论文开发了一种可大规模、低成本简单生产ACC及改性碳酸钙的新工艺方法。本文研究成果对碳酸钙产品升级换代,更大规模生产和应用具重要的学术、经济和社会价值。碳酸钙新产品在大量替代化石原料,节能减排,新型无机有机材料的开发方面应用潜力巨大。


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