纳米CaCO3碳化法制备、表面改性及在水性乳液中的应用

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碳酸钙作为环境友好型无材料,由于其来源广泛、成本低廉、白度高、色泽优,常应用于涂料、橡胶、油墨、胶黏剂、造纸等领域。在特定领域中,对碳酸钙晶型、尺寸及表面特性有较特殊的要求。因此,碳酸钙的制备、改性及应用一直是材料领域的研究热点。本文采用低温碳化法制备立方形纳米碳酸钙;再利用硅酸钠对碳酸钙表面改性,制备得到碳酸钙/二氧化硅(CaCO3@SiO2)复合粒子;并研究了将复合粒子应用于聚醋酸乙烯酯乳液改性。本文为制备得到粒径可控、分散性好的立方形纳米碳酸钙,考察了消化温度和时间、晶型控制剂种类和添加量、氢氧化钙含量、碳化温度、二氧化碳流率、搅拌等合成条件对产品性能的影响。优化出最佳制备工艺条件为消化温度为80 ℃、消化时间2 h、晶型控制剂为硫酸、添加量为0.6%(占碳酸钙质量比)、氢氧化钙悬浮液含量为8 wt%、碳化温度为10 ℃、二氧化碳流率为300 mL.min-1、搅拌转速为800 rpm,制得的碳酸钙为方解石型、平均粒径为30~35 nm、比表面积为44m2·g-1。以硅酸钠为制备二氧化硅的硅源,使其均匀沉积在碳酸钙表面,对碳酸钙改性。考察了改性环境pH值和硅源添加量,通过对CaCO3@SiO2复合粒子耐酸性分析、XRD、FT-IR、TEM分析,优化出最佳改性工艺条件为:改性pH=9.5~10.0、硅酸钠添加量为5%;制得的复合粒子包覆层为5~10 nm无定型二氧化硅,耐酸性明显优于未改性碳酸钙。将CaCO3@SiO2粒子经砂磨法处理成均匀分散的复合粒子浆液,并应用于聚醋酸乙烯酯(PVAc)乳液聚合中。先考察了分散剂种类、添加量对复合粒子浆液分散性的影响,再考察了复合粒子对乳液各项性能的影响。优选出分散剂为聚丙烯酸钠(5040)、添加量为2%(占复合粒子质量)。复合粒子的加入对乳液聚合稳定性和贮存稳定性影响较小。对细化胶粒粒径和提升乳液耐水性、黏度、压缩剪切强度、硬度作用明显;当添加量为5%(复合粒子占单体质量比)时,乳液黏度为5205 cp,压缩剪切强度达最大值58.76 MPa,乳液涂膜透明,硬度达4H。
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