碳酸鈣的性能特點及其在涂料中的應用

發布時間:2018-05-16 11:31:28   人瀏覽 來源: 橡膠技術網

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引言

  碳酸鈣是一種無毒、無味、無刺激性的白色粉末,是用途最廣的無機填料之一。它干燥不含結晶水,暴露于空氣中無變化;幾乎不溶于水,不溶于醇,遇稀醋酸、稀鹽酸、稀硝酸發生暴沸并溶解;加熱分解為氧化鈣和二氧化碳。碳酸鈣既具有價格便宜、資源豐富、品位高等特點,又具有顏填料的一些性質,廣泛用于涂料、塑料、油墨、膩子、塑料薄膜、化纖、膠黏劑、密封劑、日用化工、醫藥、橡膠、造紙、牙膏、化妝品、食品、紡織、建材、飼料等領域。根據碳酸鈣的生產工藝不同,可將其分為重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、膠體碳酸鈣和晶體碳酸鈣四類。

1 重質碳酸鈣

  重質碳酸鈣(Heavy Calcium Carbonate),又稱研磨碳酸鈣(Ground Calcium Carbonate),簡稱GCC ;美國亦稱Kotamite,俗名:重鈣、單飛粉、雙飛粉、三飛粉、四飛粉。

  1.1 理化性質

  化學式為CaCO3,其結晶體主要有復三方偏三面晶類的分解石和斜方晶類的文石,在常溫常壓下,方解石是穩定型,文石是準穩定型,目前以方解石為主。在常溫常壓下,方解石加熱到898℃,文石加熱到825℃,將分解為氧化鈣和二氧化碳;碳酸鈣與所有的強酸發生反應,生成水和相應的鈣鹽,同時放出二氧化碳;其在常溫(25℃)下,碳酸鈣在水中溶解度為0.001 4,其水溶液的pH 值為9.5~10.2,空氣飽和碳酸鈣水溶液的pH 值為8.0~8.6,熔點1 339℃,相對密度為2.7~2.9,方解石的莫氏硬度為3,文石為3.5~4,重質碳酸鈣的沉降體積為1.2~1.9 mL/g,比表面積為1 m2/g左右。重質碳酸鈣的顆粒大,表面光潔,比表面積小,因此吸油值較低,約為48 mL/100g(14~22 g/100g)。

  1.2 生產工藝

  重質碳酸鈣生產工藝有以下2 種:

  (1) 干法:首先手選從采石場運來的方解石、石灰石、白堊、貝殼等,除去脈石,然后用破碎機對石灰石進行粗破碎,再用雷蒙(擺式)磨粉機粉碎成細石灰石粉,最后用分散機對磨粉進行分級,將符合細度要求的粉末作為產品包裝入庫,否則返回再次磨粉。

  (2) 濕法:先將干法細粉制成懸浮液置于磨機內進一步粉碎,經脫水,干燥后便制得超細重質碳酸鈣。

  1.3 重質碳酸鈣粉體特點

  顆粒形狀不規則,而且顆粒有一定的棱角,表面粗糙,粒徑分布較寬,平均粒徑一般為1~10 μm。重質碳酸鈣按其原始平均粒徑(d)分為:粗磨碳酸鈣>3 μm ;細磨碳酸鈣1~3 μm ;超細碳酸鈣0.5~1 μm。

  1.4 重質碳酸鈣的用途

  按重質碳酸鈣粉碎細度的不同,工業上分為4 種不同規格:單飛粉、雙飛粉、三飛粉、四飛粉,分別用于不同的工業部門,不僅可降低產品成本,還可提高相關產品的作用和性能,起到增加產品體積的作用。

  單飛粉(200 目):用于生產無水氯化鈣,是生產重鉻酸鈉的輔助原料,以及生產玻璃及水泥的主要原料,此外,也用于建筑材料和家禽飼料等。

  雙飛粉(320 目):是生產無水氯化鈣和玻璃的原料,橡膠和涂料的白色填料以及建筑材料等。

  三飛粉:用于塑料、涂料膩子、涂料及膠合板的填料。

  四飛粉:用于電線絕緣層之填料、橡膠模壓制品及瀝青油。

2 輕質碳酸鈣

  輕質碳酸鈣(Light Calcium Carbonate),又稱沉淀碳酸鈣(Precipitated Calcium Carbonate),簡稱PCC。

  2.1 理化性質

  化學式:CaCO3 ;

  相對分子質量:100.09 ;

  結晶型:六方晶系;

  密度:2.7 g/cm3 ;

  折射率:1.46~1.65 ;

  沉降體積:2.4 ~2.8 mL/g ;

  比表面積:5 m2/g ;

  吸油值:60~90 mL/100 g(25~35 g/100g)。

  2.2 生產工藝

  生產工藝有多種,我國主要采用碳化法。

  (1) 碳化法

  將石灰石原料燃燒成生灰石和二氧化碳,再加水消化生石灰,生成石灰乳[主要成分Ca(OH)2],然后再通入二氧化碳,石灰乳生成碳酸鈣沉淀,碳酸鈣沉淀經脫水,干燥,冷卻,粉碎,過篩,即制得輕質碳酸鈣。

  高溫

  CaCO3=CaO+CO2 ↑,CaO+H2O=Ca(OH)2

  Ca(OH)2+CO2=CaCO3 ↓ +H2O

  (2) 純堿氯鈣法

  Na2CO3+CaCl2=CaCO3 ↓ +2NaCl

  (3) 苛化堿法

  在生產燒堿過程中,可得到副產品輕鈣。

  Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3 ↓ +2NaOH

  (4) 聯鈣法

  2HCl+ Ca(OH)2 = CaCl2 +2H2O

  CaCl2+2NH3·H2O+CO2=CaCO3 ↓ +2NH4Cl+H2O

  (5) 蘇爾維法

  生產純堿過程中得到副產品輕鈣。

  2.3 輕質碳酸鈣的特點

  顆粒形狀規則,可視為單分散粉體;粒徑分布較窄;粒徑小,一般為1~3 μm。根據碳酸鈣晶粒形狀的不同,可將輕鈣分為立方錘形、立方針形、鏈形、球形、片形和四角柱形,這些不同形狀晶粒可由控制反應條件制得。輕鈣的原始平均粒徑(d)分為:微粒碳酸鈣>5 μm ;微粉碳酸鈣1~5 μm ;微細碳酸鈣0.1~1 μm ;超細碳酸鈣0.02~0.1 μm ;超微細碳酸鈣< 0.02 μm。

  2.4 輕質碳酸鈣的用途

  廣泛用于造紙、塑膠、塑膠薄膜、化纖、橡膠、膠黏劑、密封劑、日用化工、化妝品、建材、涂料、油墨、油灰、封蠟、膩子、醫藥、食品(口香糖、巧克力)、飼料等。作用有:增加產品體積、降低成本;改善加工性能(如調節黏度、流變性能、硫化性能);提高尺寸穩定性,補強或半補強;提高印刷性能;提高物理性能(如耐熱性、消光性、耐磨性、阻燃性、白度、光澤)等。

3 膠體碳酸鈣

  膠體碳酸鈣(Activated Calcium Carbonate),俗名:改性碳酸鈣,表面處理碳酸鈣,膠質碳酸鈣,白艷華,活鈣,是用表面活性劑對輕鈣或重鈣進行表面改性而制得,經改性后一般有補強作用,即所謂的“活性”,故稱活性碳酸鈣。

  3.1 理化性質

  白色、細膩、輕質粉末,粒子表面吸附一層脂肪酸皂,使CaCO3 具有膠體活化性能,密度1.99~2.01 g/cm3。膠體碳酸鈣不溶于水,遇酸分解,灼燒變成焦黑色,放出二氧化碳并生成氧化鈣,其活性比普鈣大,具補強性,易分解于膠料之中。

  3.2 生產工藝

  同碳化法,后面多一道表面處理工序。

  3.3 用途

  作為橡膠填充料,可使橡膠色澤光艷,伸長率大,抗張強度高,耐磨性能良好,還用作人造革、電線、聚苯乙烯、涂料、油墨和造紙等工業的填料,可使成品具一定的抗張強度及光滑的外觀;生產微孔橡膠時,可使其發泡均勻。

4 晶體碳酸鈣(Crystal Calcium Carbonate)

  4.1 理化性質

  純白色,六方結晶型粉末,比容1.2~1.4 mL/g,溶于酸,幾乎不溶于水。

  4.2 生產工藝

  氯化鈣碳化法:先制得碳酸鈣,再結晶,分離,洗滌,脫水,烘干,篩選后,制得結晶碳酸鈣成品。

  Ca(OH)2 +2HCl=CaCl2+2H2O

  CaCl2+2NH3·H2O+CO2=CaCO3↓+2NH4Cl +H2O

  4.3 用途

  用于牙膏、醫藥等方面,亦可用作保溫材料和其它化工原料。

 

 

  5.1 在乳膠漆中的應用

  5.1.1 重鈣的作用

  (1) 作為體質顏料,具有填充作用,使之細膩、均勻、白度高。

  (2) 具有一定的干遮蓋力,一般使用超細產品,當其粒徑與鈦白粉粒徑接近時,可提高鈦白粉的遮蓋效果。

  (3) 可提高漆膜的強度、耐水性、干性、耐擦洗性。

  (4) 改善保色性。

  (5) 降低成本,使用量為10%~50%。

  缺點:密度大、易沉淀,使用量不宜過大。

  5.1.2 輕鈣的作用

  (1) 作為體質顏料,具有填充作用,細膩,增加白度。

  (2) 具有一定干遮蓋力。

  (3) 密度小,比表面積大,具一定的懸浮性,起到防沉作用。

  (4) 降低成本。

  (5) 增加手感。

  缺點:易起白霜、發脹、增稠,使用量不宜過大,不能用于外墻涂料中。

  5.2 在粉末涂料中的應用

  (1) 可用作高光涂料產品的填料。

  (2) 半光涂料產品,一般可直接加入碳酸鈣配制,無須加消光劑,節約成本。

  (3) 本身為白色的無機顏料,可與鈦白粉配合使用,降低成本。

  (4) 相對其它填料,碳酸鈣最適合于一些要求重金屬含量低的環保產品,如兒童玩具、嬰兒車等。

  (5) 可提高涂料上粉率和噴涂面積,尤其用在混合粉中較明顯。

  (6) 如果戶外耐候性有要求,不能用它作填料。

  (7) 因其吸油量高,易引起漆膜表面橘皮,這時可在基料中加入少許氫化蓖麻油。

  (8) 起骨架作用,可增加漆膜厚度,提高涂層耐磨性和耐久性。

  5.3 在木器涂料中的應用

  (1) 作有色底漆的填充料,降低成本。

  (2) 增加漆膜強度,耐磨。

  (3) 輕鈣有少許增稠作用,易觸變,防沉淀性好。

  (4) 重鈣在漆膜中降低打磨性,在罐中易沉淀,要注意加強防沉性。

  (5) 提高漆膜的光澤度、干性、增白。

  (6) 不宜與耐堿性的顏填料一起使用。

  5.4 在汽車漆中的應用

  粒徑小于80 nm 的超細碳酸鈣,因具有良好的觸變性而用于汽車底盤防石擊涂料及面漆,市場容量達7 000~8 000 t/a,在國際市場售價高達1100~1 200美元/t。

  5.5 在油墨中的應用

  超細碳酸鈣用于油墨中,呈現出優異的分散性,透明性,極好的光澤和遮蓋力,以及優異的油墨吸附性和干燥性,其必須經過活化處理,晶形為球形或立方形。


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