（中國粉體技術網/班建偉）普通重鈣(研磨碳酸鈣) 與輕鈣(沉淀碳酸鈣) 在復合材料加工中雖也可使某些強度略有提高, 但總體上只能作為填料使用,目的是降低成本, 但將導致材料總體強度的降低。而晶須碳酸鈣既可應用于一般粒狀碳酸鈣領域, 還在降低成本的同時, 表現出顯著的增強、增韌作用, 使被加強的復合材料表現出更好的耐沖擊性, 提高加工過程的流動性從而降低加工能耗、提高型材制品尺寸穩定性及表面光潔度。目前, 晶須碳酸鈣主要應用于增強高分子復合材料、作為造紙助劑以及摩擦材料填料等。
1 增強高分子復合材料
復合材料的增強材料可采用合成的無機纖維來提高塑料的彎曲彈性模量、彎曲強度、尺寸穩定性等指標。但是, 無機長纖維容易影響塑料的平滑性和美觀性, 不利于加工各種精密器件,同時其價格高。而晶須碳酸鈣具有類似短纖維的結構、出色的熱穩定性以及其低廉的價格。
晶須碳酸鈣不帶結晶水, 在各種塑料注模成型時不會產生由水蒸發產生的銀紋。因此, 正廣泛研究將碳酸鈣晶須用于增強聚酰胺、聚碳酸酯、熱塑性聚酯以及聚氯乙烯等復合材料。
2 作為造紙助劑
碳酸鈣作為造紙填充劑( Filler) 的應用已長達100 多年, 紙中加入碳酸鈣的最大益處是降低成本, 其次是提高紙的白度與光澤, 增強其挺度( Stiffness) , 但碳酸鈣的加入會顯著降低其抗拉強度( Tensile strength) 、彎折強度( Folding) , 原因是碳酸鈣的存在隔開了紙纖維間的一些鍵合點。
晶須碳酸鈣雖然也影響紙纖維的氫鍵結合, 導致其強度下降, 但因以下原因其強度的下降要緩慢得多: (1) 單個晶須的體積比現有的方解石碳酸鈣填充劑顆粒大得多, 因而在紙纖維間產生的隔離點大大降低; (2) 針狀結構與紙纖維糾纏在一起類似于水泥的莫來石針狀結構, 對強度有一定貢獻。
3 增強摩擦材料
石棉曾經被廣泛應用于摩擦材料, 但是其較強的致癌性和粉塵污染被國家明令禁用。隨后, 各種石棉替代品紛紛出現, 如玻璃纖維、鋼纖維、鈦酸鉀晶須等。雖然它們都能增強摩擦材料, 但都存在各自的缺點, 比如, 玻璃纖維高溫耐磨性差, 混料工藝性能差, 鋼纖維容易生銹, 鈦酸鉀成本太高等。
而碳酸鈣晶須耐溫性好, 用于摩擦材料可以顯著提高耐磨性, 而且碳酸鈣晶須的原材料廉價豐富, 制造成本低, 當其取代以上摩擦材料后, 產品的摩擦系數、耐磨性能和耐熱性大大提高, 具有較高的機械強度, 而且摩擦產生的粉塵無毒, 污染小。
4 碳酸鈣晶須的產業化現狀
1995 年文石碳酸鈣晶須的工業化生產最早在日本實現。隨后美國和西歐也實現了碳酸鈣晶須的工業化生產。國內雖然對各形態碳酸鈣的工業化生產進行了大力開發, 但在文石碳酸鈣晶須方面卻顯不足, 總體上還處于實驗室水平。
現在, 國內許多學者均開展了碳酸鈣晶須工業化生產的前期研究。劉慶峰等研究發現, 對PP 進行填充時, 碳酸鈣晶須填充可明顯提高材料的抗沖擊性能, 在碳酸鈣晶須填充量占材料總量的50%時, 填充文石晶須的試樣與輕質碳酸鈣相比沖擊強度提高4 倍多。
王會利等研究表明: 碳酸鈣晶須作為涂料的增粘劑, 能顯著提高涂料的黏度, 增加觸變性, 提高涂料的抗開裂、附著力、粘接強度等性能; 此外, 他還在模擬碳化塔中, 通過調整通氣流量和液面高度等工藝條件, 制備出了長度較長、均勻性較好的碳酸鈣晶須。
2005年河北科技大學研發的針型(晶須) 納米碳酸鈣工業化制備新技術通過了技術鑒定,為我國碳酸鈣晶須的工業化生產打下了良好的基礎。
由于碳酸鈣晶須生產工藝與現有輕質碳酸鈣微粉生產工藝相似, 加上我國有大量碳酸鈣生產企業, 如果我們利用現有設備加以改造, 必定會大大提高我國碳酸鈣晶須的生產能力。目前,我國文石晶須工業應用的主要問題存在于文石的表面偶聯改性方面, 現有的改性采用硬脂酸與輕鈣高速機械攪拌實現, 但這將導致晶須的斷裂。本課題組也正在研究文石晶須的濕相改性技術以避免晶須的斷裂。此外, 如何建立完善的生產體系, 找到更為適合工業化生產的技術以提高生產效率仍是亟待解決的問題。
5 結語
碳酸鈣晶須作為一種質優價廉的新型無機增強材料, 被廣泛應用于造紙、橡膠、涂料、塑料、醫藥等領域。本文總結了國內外合成碳酸鈣晶須的4 種合成方法, 其中以氯化鎂為助劑的碳酸化法最廉價經濟而且制備工藝簡單, 最適于工業化生產; 晶形控制劑對碳酸鈣晶須的合成起著十分重要的作用, 眾多學者對此做出了研究, 為控制碳酸鈣晶須的形貌提供了重要依據。
雖然我國碳酸鈣晶須的工業化生產尚處于起步階段, 但卻擁有得天獨厚的資源優勢及設備, 有理由相信, 隨著研究技術的不斷深入, 我國碳酸鈣晶須的大批量產業化生產指日可待。
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