针状碳酸钙的碳化法制备及其表面改性研究

论文摘要

针状碳酸钙是一种力学性能十分优异的无机增强材料,可广泛应用于高分子复合材料、摩擦材料、造纸、涂料等行业,开发出基于碳化法的生产工艺有利于拓展碳酸钙产品在高附加值领域的应用,同时提升我省碳酸钙产品价值,因此针状碳酸钙的开发与应用极具发展前景。本文以Ca（OH）2和CO2为原料,在自制的鼓泡搅拌釜中,采用常规碳化法制备针状碳酸钙。通过筛选镁盐、磷酸盐和有机酸等物质,确定MgCl2·6H2O作为最终制备针状碳酸钙的晶型控制剂,在此基础上对影响针状碳酸钙形貌和粒径的各个实验因素进行考察优化,其中包括晶型控制剂加入量、碳化温度、Ca（OH）2浓度、CO2流速、CO2浓度和搅拌速度等。产品采用SEM、XRD表征分析,结果表明制备的针状碳酸钙形貌规整、粒径分布窄、分散性好、长径比为～10,其中文石相晶型含量高达96%,并确定出以下适宜针状碳酸钙合成的工艺条件:MgCl2·6H20与Ca（OH）2的摩尔比为2,碳化温度为80℃,搅拌速度为300r/min,Ca（OH）2浓度应控制在0.6mol/L,CO2的浓度为 100%,CO2 流速应控制在 2.5ml/g（Ca（OH）2）·min。采用正交试验法,分别以针状碳酸钙的平均长径比和针状碳酸钙中文石含量作为试验指标,对上述工艺条件进行验证,同时得出制备针状碳酸钙的最佳工艺方案。当以针状碳酸钙的长径比为试验指标时,得出的优化方案如下:CO2流速为2ml/g（Ca（OH）2）·min、搅拌速度为 400r/min、Mg2+/Ca2+为 1.5、碳化温度为 90℃、Ca（OH）2浓度为0.7mol/L、CO2浓度为5%,在该条件下制备的针状碳酸钙长径比为10～15,长度为50～70 μm,文石含量为96%;而当以针状碳酸钙的文石含量为试验指标时,得出的优化方案如下:Mg2+/Ca2+为2.5、CO2流速为 3ml/g（Ca（OH）2）·min、搅拌速度为 300r/min、Ca（OH）2浓度为0.7mol/L、碳化温度为80℃、CO2浓度为100%,在该条件下制备的针状碳酸钙长径比为6～9,长度为12～18μm,为纯文石晶型。本文在不影响碳酸钙产品的晶型和形貌的前提下,重点研究了碳化结束后含氯化镁的滤液回收重复套用问题。采用EDTA络合滴定分析碳化后回收滤液中的Ca2+、Mg2+含量,以确定需补加MgCl2·H20的量,并在相同的碳化工艺条件下逐步改进套用回收液的方法来制备针状碳酸钙。直接套用回收液时只能循环使用1次,而将套用的回收液经补加Mg2+、加酸调节pH等优化处理后可使套用次数延长至10次以上,这种重复套用次数越多,将越有利于降低生产成本,同时还能减少废料的排放,有利于环境保护。本文对自制的针状碳酸钙进行湿法表面改性,在筛选改性剂的基础上对改性工艺条件进行研究,考察了改性温度、改性时间、搅拌速度、改性剂用量等参数对针状碳酸钙表面疏水性的影响。以活化度、吸油值作为表征改性效果的主要指标,结果表明经过硬脂酸钠改性的针状碳酸钙产品吸油值显著降低,其活化度大大提高;同时通过红外谱图和热重分析表明,硬脂酸钠与针状碳酸钙之间形成了牢固的化学键;扫描电镜观测表明,硬脂酸钠改性剂的加入不会使针状碳酸钙的形貌发生改变,在适当的改性条件下,针状碳酸钙的分散性得到很大提高,其活化度达到98%以上。得出硬脂酸钠改性的最佳工艺条件如下:改性温度为90℃、改性时间为30min、搅拌速度为400r/min、硬脂酸钠用量为6wt.%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 绪论
• 1.1.1 针状材料的特点
• 1.1.2 针状材料的发展
• 1.1.3 碳酸钙产品分类
• 1.1.4 针状碳酸钙的特点
• 1.2 针状碳酸钙的制备
• 1.2.1 复分解法
• 3）₂加热水解法'>1.2.2 Ca（HCO₃）₂加热水解法
• 2）₂水解法'>1.2.3 CO（NH₂）₂水解法
• 1.2.4 常规碳酸化法
• 1.2.5 超重力碳酸化法
• 1.2.6 其它制备方法
• 1.3 针状碳酸钙的表面改性
• 1.3.1 改性剂的分类
• 1.3.2 碳酸钙改性方法
• 1.4 针状碳酸钙的研究应用现状
• 1.4.1 针状碳酸钙在高分子复合材料中的应用
• 1.4.2 针状碳酸钙在摩擦材料中的应用
• 1.4.3 针状碳酸钙在造纸中的应用
• 1.4.4 针状碳酸钙在涂料中的应用
• 1.4.5 针状碳酸钙在医用材料中的应用
• 1.5 研究目的以及研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器设备和药品
• 2.1.1 实验仪器设备
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 实验工艺流程和碳化装置图
• 2.2.1 碳化工艺流程图
• 2.2.2 碳化反应装置图
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 实验条件
• 2.3.2 实验步骤
• 2.4 针状碳酸钙表征
• 2.4.1 扫描电镜SEM表征
• 2.4.2 红外光谱分析
• 2.4.3 热重分析
• 2.4.4 X-射线衍射分析
• 2.4.5 活化度测定
• 2.4.6 吸油值测定
• 2.5 小结
• 第三章 针状碳酸钙的优化制备及其影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 碳化过程中pH变化分析
• 3.2.2 碳化产物分析
• 2·6H₂O晶型控制剂的影响'>3.2.3 MgCl₂·6H₂O晶型控制剂的影响
• 3.2.4 碳化温度的影响
• 3.2.5 搅拌速度的影响
• 2浓度的影响'>3.2.6 Ca（OH）₂浓度的影响
• 2浓度的影响'>3.2.7 CO₂浓度的影响
• 2流速的影响'>3.2.8 CO₂流速的影响
• 3.3 正交试验在针状碳酸钙制备中的应用
• 3.3.1 正交试验方案设计
• 3.3.2 正交试验结果分析
• 3.3.3 最优工艺方案的确定
• 3.4 小结
• 第四章 针状碳酸钙制备中氯化镁晶型导向剂的套用研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 回收液套用可行性分析
• 2+损失对回收液套用的影响'>4.2.2 Mg²⁺损失对回收液套用的影响
• 4.2.3 其它物质对回收液套用的影响
• 4.3 小结
• 第五章 针状碳酸钙表面湿法改性
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 表面改性剂的筛选
• 5.2.2 改性剂作用机理探讨
• 5.2.3 改性温度的影响
• 5.2.4 改性时间的影响
• 5.2.5 搅拌速度的影响
• 5.2.6 硬脂酸钠用量的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文