纳米碳酸钙铝酸酯湿法表面改性技术的研究
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纳米碳酸钙铝酸酯湿法表面改性技术的研究
湖南化工职业技术学院化工系 阳铁建 湖南化工职业技术学院基建处 吴红权
［摘 要］本文探讨了纳米碳酸钙湿法表面改性技术研究的主要内容，研究方法，研究成果及分析，提出了纳米碳酸钙铝酸酯湿法改 性技术研究存在的主要问题与对策。 ［关键词］纳米碳酸钙 铝酸酯 湿法改性
表 1 三元复合配方实验结果
序号 项目
硬酯酸钠－铝酸酯 －硬酯酸
硬酯酸钠－铝酸酯 －硅烷
配方/% 0.5
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磨粉在磨粉机中完成。最后进行产品的性能检验，主要是活性度、白度 的检测。
技术路线如下图所示：
图 1 纳米碳酸钙的制备及湿法改性技术路线图 三、纳米碳酸钙铝酸酯湿法改性技术研究成果及分析
紧紧围绕纳米碳酸钙、铝酸酯与湿法改性技术的主题，探讨了纳米 碳酸钙铝酸酯湿法改性技术的工艺流程与工艺条件，采用复合改性的 方法较好地解决了铝酸酯易水解的核心技术问题。本课题主要研究了 硬酯酸钠－铝酸酯－硬酯酸三元复合配方、硬酯酸钠－铝酸酯－硅烷 两个复合配方，研究了相应的工艺参数。主要研究如下表（表中表面活 性剂用量以纳米碳酸钙干粉为基准）：
铝酸酯本身既是偶联剂，也可做分散剂、湿润剂、粘合剂、交联剂， 应用范围很广。与其它偶联剂（如钛酸酯、硼酸酯等）相比，铝酸酯具有 与碳酸钙表面反应活性大、色浅、无毒、对 PVC 的协同热稳定性和润滑 性、味小、热分解温度高（300℃）、价格低廉（约为钛酸酯的一半）、使用 时无需溶解稀释等优点。大量替代钛酸酯偶联剂成为趋势，使铝酸酯 已经成为碳酸钙改性用量最大的偶联剂之一。但铝酸酯易水解，目前 只局限于干法表面改性之中。
二、纳米碳酸钙铝酸酯湿法改性技术研究的主要内容
通过前期的实验探索，发现铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改性技术 基本是可行的，通过本课题的深入研究获得更加准确的工艺流程、工艺 配方和工艺参数，在能耗大小、质量优劣等方面与干法改性产品进行全 面对比，使铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改性技术更加成熟。铝酸酯虽 然易水解，但根据酯类水解原理可在溶液中添加一种助剂或采用复合 配方改性的方法来抑制其水解。本研究的创新之处是首次将比较廉价 的铝酸酯应用于纳米碳酸钙湿法改性领域，这对降低纳米碳酸钙的表 面改性成本，提高改性纳米碳酸钙的质量都具有重要意义。
一、综述
纳米碳酸钙直接用于有机塑料、橡胶、涂料等高分子基质中存在两 个致命的缺陷：一是分子间力、静电作用、氢键、氧桥等引起碳酸钙粉体 的团聚；二是纳米碳酸钙为亲水性无机化合物，其表面有亲水性较强的 羟基，呈强碱性，使其与聚合物的亲和性变差，易形成团聚体，造成在高 聚物中分散不均匀，导致两种材料间界面缺陷，根本不能体现出纳米碳 酸钙的纳米效应。
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基金项目：本文系湖南化工职业技术学院资助项目（Hnhya005）。 作者简介：阳铁建（1971-），女，学士，讲师，已发表论文 7 篇，主要从事无机化学教学与研究工作。吴红权（1971-），男，讲师，已发表论文 3 篇。
湿法改性是在碳化增浓后的熟浆溶液中对碳酸钙进行表面改性处 理，这必须在纳米碳酸钙生产企业中才能完成。利用碳酸钙在液相中 的分散比在气相中的分散容易得多，如果加入分散剂，分散效果更好的 特点，使碳酸钙颗粒与表面改性剂分子的作用更均匀。碳酸钙颗粒经 湿法改性处理后，其表面能降低，即使经压滤、干燥后形成二次粒子，仅 形成结合力较弱的软团聚，有效地避免了干法改性中因化学键氧桥的 生成而导致的硬团聚现象。因此，研究铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改 性技术，对铝酸酯推广应用到湿法改性领域，对降低纳米碳酸钙表面改 性成本，对提高纳米碳酸钙表面改性质量等都具有重要的意义。
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可见，基于表面活性剂的成本和产品活性度两方面的考虑，硬酯酸
钠－铝酸酯－硬酯酸三元复合配方的实验 3 和实验 5 是比较合适的，产
品的活性度都达到了 98%，且活性剂成本较低，
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首先是查阅资料，确定研究实验方案，准备仪器药品，然后利用学 生做毕业设计的机会完成实验研究。
研究方法：实验法与对比法。 ①主要仪器有马弗炉，压缩空气钢瓶；压缩二氧化碳钢瓶；电动搅 拌器；酸度计；温度计；2500mL 烧杯；真空抽滤装置；恒温干燥箱；磨粉 机；标准筛；显微镜。 ②主要实验药品有铝酸酯，生石灰，硫酸，双氧水，氢氧化钠，硬酯 酸，冰水，蔗糖，三聚磷酸钠。 ③实验操作过程： 消化过程：消化反应器中装有 500ml 热水，并开启搅拌装置和装好 温度计，然后快速称取 100g 生石灰，依次加入消化反应器中，直至温度 计指示的温度不再上升为止。再停止搅拌，静置自然冷却至常温；最后 用标准筛过筛，过滤的浆液陈化 24h 之后备用。 碳化过程：将上述滤液转移入碳化反应器中，加入 500ml 冷水稀 释，开启搅拌装置，通入 CO2气体进行碳化反应，数分钟后加入少许晶 形导向剂溶液后，继续碳化反应，直至溶液的 pH 值达到 7，并使浆液自 然冷却至常温，并陈化 24h 之后备用。 湿法活化：碳化反应后的浆液需采用自然沉降的方法进行增浓，至 浆液浓度达到 15~20%，然后开启搅拌装置，调整搅拌速度为 100~300 转/min，并加热到 70~80℃后，依次先后加入预先配制好的适量的硬酯 酸钠溶液、铝酸酯、硬酯酸或硅烷等表面活性剂进行表面改性处理。 过滤、干燥与磨粉过程：活化结束后，产品自然冷却至常温后进行 抽滤。干燥在恒温干燥箱中进行，干燥温度为 120℃，干燥时间为 3h。
纳米碳酸钙铝酸酯湿法表面改性技术的研究
湖南化工职业技术学院化工系 阳铁建 湖南化工职业技术学院基建处 吴红权
［摘 要］本文探讨了纳米碳酸钙湿法表面改性技术研究的主要内容，研究方法，研究成果及分析，提出了纳米碳酸钙铝酸酯湿法改 性技术研究存在的主要问题与对策。 ［关键词］纳米碳酸钙 铝酸酯 湿法改性
表 1 三元复合配方实验结果
序号 项目
硬酯酸钠－铝酸酯 －硬酯酸
硬酯酸钠－铝酸酯 －硅烷
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磨粉在磨粉机中完成。最后进行产品的性能检验，主要是活性度、白度 的检测。
技术路线如下图所示：
图 1 纳米碳酸钙的制备及湿法改性技术路线图 三、纳米碳酸钙铝酸酯湿法改性技术研究成果及分析
紧紧围绕纳米碳酸钙、铝酸酯与湿法改性技术的主题，探讨了纳米 碳酸钙铝酸酯湿法改性技术的工艺流程与工艺条件，采用复合改性的 方法较好地解决了铝酸酯易水解的核心技术问题。本课题主要研究了 硬酯酸钠－铝酸酯－硬酯酸三元复合配方、硬酯酸钠－铝酸酯－硅烷 两个复合配方，研究了相应的工艺参数。主要研究如下表（表中表面活 性剂用量以纳米碳酸钙干粉为基准）：
铝酸酯本身既是偶联剂，也可做分散剂、湿润剂、粘合剂、交联剂， 应用范围很广。与其它偶联剂（如钛酸酯、硼酸酯等）相比，铝酸酯具有 与碳酸钙表面反应活性大、色浅、无毒、对 PVC 的协同热稳定性和润滑 性、味小、热分解温度高（300℃）、价格低廉（约为钛酸酯的一半）、使用 时无需溶解稀释等优点。大量替代钛酸酯偶联剂成为趋势，使铝酸酯 已经成为碳酸钙改性用量最大的偶联剂之一。但铝酸酯易水解，目前 只局限于干法表面改性之中。
二、纳米碳酸钙铝酸酯湿法改性技术研究的主要内容
通过前期的实验探索，发现铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改性技术 基本是可行的，通过本课题的深入研究获得更加准确的工艺流程、工艺 配方和工艺参数，在能耗大小、质量优劣等方面与干法改性产品进行全 面对比，使铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改性技术更加成熟。铝酸酯虽 然易水解，但根据酯类水解原理可在溶液中添加一种助剂或采用复合 配方改性的方法来抑制其水解。本研究的创新之处是首次将比较廉价 的铝酸酯应用于纳米碳酸钙湿法改性领域，这对降低纳米碳酸钙的表 面改性成本，提高改性纳米碳酸钙的质量都具有重要意义。
一、综述
纳米碳酸钙直接用于有机塑料、橡胶、涂料等高分子基质中存在两 个致命的缺陷：一是分子间力、静电作用、氢键、氧桥等引起碳酸钙粉体 的团聚；二是纳米碳酸钙为亲水性无机化合物，其表面有亲水性较强的 羟基，呈强碱性，使其与聚合物的亲和性变差，易形成团聚体，造成在高 聚物中分散不均匀，导致两种材料间界面缺陷，根本不能体现出纳米碳 酸钙的纳米效应。
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基金项目：本文系湖南化工职业技术学院资助项目（Hnhya005）。 作者简介：阳铁建（1971-），女，学士，讲师，已发表论文 7 篇，主要从事无机化学教学与研究工作。吴红权（1971-），男，讲师，已发表论文 3 篇。
湿法改性是在碳化增浓后的熟浆溶液中对碳酸钙进行表面改性处 理，这必须在纳米碳酸钙生产企业中才能完成。利用碳酸钙在液相中 的分散比在气相中的分散容易得多，如果加入分散剂，分散效果更好的 特点，使碳酸钙颗粒与表面改性剂分子的作用更均匀。碳酸钙颗粒经 湿法改性处理后，其表面能降低，即使经压滤、干燥后形成二次粒子，仅 形成结合力较弱的软团聚，有效地避免了干法改性中因化学键氧桥的 生成而导致的硬团聚现象。因此，研究铝酸酯对纳米碳酸钙的湿法改 性技术，对铝酸酯推广应用到湿法改性领域，对降低纳米碳酸钙表面改 性成本，对提高纳米碳酸钙表面改性质量等都具有重要的意义。
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பைடு நூலகம்
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可见，基于表面活性剂的成本和产品活性度两方面的考虑，硬酯酸
钠－铝酸酯－硬酯酸三元复合配方的实验 3 和实验 5 是比较合适的，产
品的活性度都达到了 98%，且活性剂成本较低，
（下转第 52 页）
首先是查阅资料，确定研究实验方案，准备仪器药品，然后利用学 生做毕业设计的机会完成实验研究。
研究方法：实验法与对比法。 ①主要仪器有马弗炉，压缩空气钢瓶；压缩二氧化碳钢瓶；电动搅 拌器；酸度计；温度计；2500mL 烧杯；真空抽滤装置；恒温干燥箱；磨粉 机；标准筛；显微镜。 ②主要实验药品有铝酸酯，生石灰，硫酸，双氧水，氢氧化钠，硬酯 酸，冰水，蔗糖，三聚磷酸钠。 ③实验操作过程： 消化过程：消化反应器中装有 500ml 热水，并开启搅拌装置和装好 温度计，然后快速称取 100g 生石灰，依次加入消化反应器中，直至温度 计指示的温度不再上升为止。再停止搅拌，静置自然冷却至常温；最后 用标准筛过筛，过滤的浆液陈化 24h 之后备用。 碳化过程：将上述滤液转移入碳化反应器中，加入 500ml 冷水稀 释，开启搅拌装置，通入 CO2气体进行碳化反应，数分钟后加入少许晶 形导向剂溶液后，继续碳化反应，直至溶液的 pH 值达到 7，并使浆液自 然冷却至常温，并陈化 24h 之后备用。 湿法活化：碳化反应后的浆液需采用自然沉降的方法进行增浓，至 浆液浓度达到 15~20%，然后开启搅拌装置，调整搅拌速度为 100~300 转/min，并加热到 70~80℃后，依次先后加入预先配制好的适量的硬酯 酸钠溶液、铝酸酯、硬酯酸或硅烷等表面活性剂进行表面改性处理。 过滤、干燥与磨粉过程：活化结束后，产品自然冷却至常温后进行 抽滤。干燥在恒温干燥箱中进行，干燥温度为 120℃，干燥时间为 3h。