一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法與流程
2023-06-01 23:56:02 1
本發明涉及無機材料技術領域，具體是一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法。
背景技術：
碳酸鈣是自然界中存在的最為豐富的礦物之一，工業上以方解石、大理石、貝殼、石灰石等為原料經機械粉碎及超細研磨等製得的產品稱為重質碳酸鈣。以石灰石為原料，經煅燒、消化、碳酸化、分離和乾燥製得的產品稱為沉澱碳酸鈣。沉澱碳酸鈣主要分為兩種，一是類立方狀的納米級碳酸鈣，主要用於塑料、密封膠、油墨等聚合物填充改性，具有較好的補強作用；二是紡錘狀的微米級碳酸鈣，俗稱輕鈣，主要用於塑料、橡膠、塗料和紙張的增量填充。
棒狀沉澱碳酸鈣作為一種新型填料，對橡膠和塑料具有較好的增強、增韌作用。在造紙工業中，與重質碳酸鈣和輕鈣比較，棒狀碳酸鈣作為紙張填料具有更好的留著率和更小的紙張強度降低率，更高的遮蓋率。作為紙張填料和塗料，棒狀碳酸鈣還可賦予紙張優異的印刷適應性。近年來，國內外學者對棒狀碳酸鈣作了大量研究。如中國發明專利CN101570344 A公開了一種文石晶型碳酸鈣製備方法，該方法是將石灰與水進行消化後做熟化處理，以針狀氫氧化鎂晶體為晶種製備出粒徑為1～2µm的棒狀碳酸鈣。該發明中，石灰與水消化後的熟化時間長，碳酸化反應前後改變CO2濃度和流量大小，工藝複雜，生產成本較高。中國發明專利CN103253693 A公開了一種棒狀方解石型碳酸鈣晶體的製備方法。該發明中，碳酸化反應在恆溫條件下進行，且使用多種添加劑，工藝條件苛刻。至今棒狀碳酸鈣的製備在國內外都被認為是難掌控的技術，尤其是工業化生產時更難控制。因此，對棒狀碳酸鈣的技術研究和生產，具有較好的經濟效益和社會效益。
技術實現要素：
本發明提供了一種工藝簡單、成本低廉、比表面積大、用途廣泛、易於工業化生產的棒狀納米碳酸鈣的製備方法。
為了實現以上目的，本發明採用的技術方案如下：
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與熱水按照重量比為1：5～7的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿磨漿20～40min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.5～2.0,D50為3～5μm，D97≤10μm，再經60～120目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將步驟（1）得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.055～1.075，加入複合晶型控制劑，其中加入的複合晶型控制劑的質量為氫氧化鈣質量的0.5～2.5%，攪拌10～20min；所述複合晶型控制劑由第一組分和第二組分組成，其中第一組分為檸檬酸、蔗糖、腐植酸、十二烷基硫酸鈉中的一種；第二中組分為聚丙烯酸鈉、聚乙二醇、磷酸鹽、二辛基磺基琥珀酸鈉中的一種；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
優選的，以上所述複合晶型控制劑中第一組分與第二組分的質量比為1～2:1。
優選的，以上所述碳酸化反應過程中窯氣的流量為3-6m3/h,窯氣中CO2體積濃度為20～50%。
優選的，以上步驟（3）中氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔的進料溫度為25～55℃。
優選的，以上所述熱水的溫度為30～60℃。
與現有技術相比，本發明的有點及有益效果為：
1、本發明製得的棒狀納米碳酸鈣比表面積大，產品穩定性好，具有高強度、模量高、耐熱性能好等特點，應用範圍廣泛，可用於塑料填料和造紙填料，在塑料中能有效改善塑料製品的力學性能；在造紙中能有效提高紙張白度、光滑度和印刷適性。
2、本發明方法所用的複合晶型控制劑，不僅可以控制碳酸鈣的晶粒尺寸，還能提高碳酸鈣的力學性能及增強其作為填料與其他組分的相容性。
3、本方法方法製備工藝簡單、耗能低、生產效率高、成本低，容易實現工業化生產，具有良好的經濟效益和社會效益。
附圖說明
圖1為實施例1製得棒狀納米碳酸鈣的掃描電鏡圖；
圖2為實施例2製得棒狀納米碳酸鈣的掃描電鏡圖；
圖3為實施例3製得棒狀納米碳酸鈣的掃描電鏡圖。
具體實施方式
下面將結合具體實施例和附圖對本發明進一步說明。
實施例1
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與60℃熱水按照重量比為1：5的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿25min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.73,D50為4.07μm，D97≤8.86μm，再經120目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將上述得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.065，加入為氫氧化鈣質量的2.5%的複合晶型控制劑，攪拌15min；所述複合晶型控制劑由質量比為1:1.5的檸檬酸和磷酸鈉組成；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，進料溫度為30℃，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，其中碳酸化反應過程中窯氣的流量為6m3/h,窯氣中CO2體積濃度為30%，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
本實施例得到的碳酸鈣產品經過掃描電鏡檢測，檢測結果如圖1所示。從圖中可以看出納米碳酸鈣呈棒狀結構，粒徑分布均勻。
實施例2
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與50℃熱水按照重量比為1：6的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿30min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.65,D50為3.56μm，D97≤7.35μm，再經120目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將上述得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.070，加入為氫氧化鈣質量的2.0%的複合晶型控制劑，攪拌20min；所述複合晶型控制劑由質量比為1:1的腐植酸和二辛基磺基琥珀酸鈉組成；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，進料溫度為40℃，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，其中碳酸化反應過程中窯氣的流量為4m3/h,窯氣中CO2體積濃度為50%，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
本實施例得到的碳酸鈣產品經過掃描電鏡檢測，檢測結果如圖2所示。從圖中可以看出納米碳酸鈣呈棒狀結構，粒徑分布均勻。
實施例3
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與40℃熱水按照重量比為1：7的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿20min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.98,D50為4.84μm，D97≤10μm，再經100目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將上述得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.075，加入為氫氧化鈣質量的1.5%的複合晶型控制劑，攪拌20min；所述複合晶型控制劑由質量比為1:2的蔗糖和聚丙烯酸鈉組成；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，進料溫度為50℃，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，其中碳酸化反應過程中窯氣的流量為3m3/h,窯氣中CO2體積濃度為35%，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
本實施例得到的碳酸鈣產品經過掃描電鏡檢測，檢測結果如圖3所示。從圖中可以看出納米碳酸鈣呈棒狀結構，粒徑分布均勻。
實施例4
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與30℃熱水按照重量比為1：6的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿40min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.74,D50為4.12μm，D97≤8.94μm，再經60目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將上述得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.070，加入為氫氧化鈣質量的1.0%的複合晶型控制劑，攪拌20min；所述複合晶型控制劑由質量比為1:1的腐殖酸和聚乙二醇組成；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，進料溫度為25℃，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，其中碳酸化反應過程中窯氣的流量為5m3/h,窯氣中CO2體積濃度為20%，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
實施例5
一種棒狀納米碳酸鈣的製備方法，包括以下步驟：
（1）將石灰與50℃熱水按照重量比為1：7的比例混合，攪拌均勻得石灰漿，再經砂磨磨漿30min，控制氫氧化鈣粒徑分布GSD數值在1.53,D50為3.26μm，D97≤7.12μm，再經120目的振動篩過濾除渣，過濾得到的氫氧化鈣乳液備用；
（2）將上述得到的氫氧化鈣乳液加水稀釋，調節比重至1.055，加入為氫氧化鈣質量的0.5%的複合晶型控制劑，攪拌10min；所述複合晶型控制劑由質量比為1:2的十二烷基磺酸鈉和二辛基磺基琥珀酸鈉組成；
（3）將步驟（2）所得的氫氧化鈣乳液送入碳酸化反應塔中，進料溫度為55℃，打開窯氣閥，通入經過淨化的窯氣進行碳酸化反應，其中碳酸化反應過程中窯氣的流量為3m3/h,窯氣中CO2體積濃度為50%，當碳酸化反應液的pH小於7.5時，關閉窯氣閥，停止反應，得到沉澱碳酸鈣懸浮液；
（4）將步驟（3）經碳酸化反應所得到的沉澱碳酸鈣懸浮液按常規工序和方法進行脫水、乾燥、粉碎、篩分後得到納米級棒狀碳酸鈣產品。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。