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碳化法制备纳米CaCO?及其表面改性与在水性乳液中的应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

纳米CaCO?作为一种重要的无机纳米材料，凭借其独特的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，在塑料、橡胶、涂料、造纸、医药等众多领域展现出卓越的应用价值。在塑料工业中，添加纳米CaCO?可显著增强塑料的刚性、韧性与抗冲击性能，同时降低材料收缩率，提升尺寸稳定性，广泛应用于PVC管材、汽车配件等产品；于橡胶行业而言，它能有效提高橡胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性和抗老化性能，在轮胎制造、橡胶输送带等产品中不可或缺；在涂料领域，纳米CaCO?不仅可以增白、遮盖、提高光泽度，还能改善涂料流变性，部分替代昂贵的钛白粉，降低涂料成本，提高耐擦洗性、耐候性和抗菌性能，尤其是在水性涂料中，其良好的分散性对提高涂料稳定性和涂装效果至关重要。

碳化法作为目前制备纳米CaCO?最常用的方法之一，具有原料来源广泛（主要为碳酸钙含量较高的石灰石）、成本相对较低且易于实现大规模生产的优势。通过精确控制反应条件，如温度、二氧化碳气体流量、反应时间等，能够制备出不同粒径和晶型的纳米CaCO?。然而，碳化过程会直接影响产品的粒度和形貌，如何通过改进工艺制备出纯度高、形貌规整、分散性好和粒度分布窄的纳米CaCO?，仍是当前研究的重点。

未经表面改性的纳米CaCO?颗粒由于表面能高、亲水疏油，在有机介质中极易团聚，与有机基体的相容性差，这严重限制了其在实际应用中的性能发挥。对纳米CaCO?进行表面改性，可有效提高其在有机介质中的分散性和与基体的相容性，拓展其应用领域和提升应用效果。

水性乳液以水为分散介质，具有环保、安全、无污染等优点，符合当今社会对绿色环保材料的需求，在涂料、胶粘剂、油墨等领域得到了广泛应用。将表面改性后的纳米CaCO?应用于水性乳液中，有望进一步提升水性乳液产品的性能，如提高涂料的硬度、耐磨性、耐水性等，胶粘剂的粘接强度和耐热性等，油墨的分散性和印刷适性等。研究纳米CaCO?在水性乳液中的应用，对于推动水性乳液产品的高性能化发展，满足市场对高品质环保材料的需求具有重要意义。

1.2国内外研究现状

在纳米CaCO?碳化法制备方面，国外起步较早，技术相对成熟。如日本白石工业株式会社开发的多级喷雾碳化法，通过多个碳化塔进行气液反应，可制备出粒径均匀的纳米CaCO?。近年来，国外研究重点逐渐转向新型碳化技术与装备的研发，以进一步提高生产效率和产品质量，降低能耗。国内对碳化法制备纳米CaCO?的研究也取得了显著进展，北京化工大学开发的超重力碳化法，利用高速旋转填料床产生的超重力环境，极大地增大气液接触面，提高碳化速度，即使不添加结晶控制剂，也能制备出粒径达15-30nm的纳米CaCO?。目前国内研究主要集中在优化碳化工艺参数、探索新的添加剂和晶型导向剂，以实现对纳米CaCO?粒径、晶型和形貌的精准控制。

在表面改性研究方面，国外在表面改性机理和新型改性剂开发上处于领先地位。通过深入研究纳米CaCO?表面与改性剂之间的相互作用机制，开发出一系列高性能的表面改性剂，显著提高了纳米CaCO?的分散性和与基体的相容性。国内表面改性研究侧重于改性工艺的优化和改性效果的评价，采用多种改性方法复合使用，如表面包覆与表面接枝相结合，以提高改性效果。同时，也在积极探索利用天然高分子材料和生物基材料作为改性剂，以实现表面改性的绿色化和可持续发展。

关于纳米CaCO?在水性乳液中应用的研究，国外主要集中在开发高性能水性乳液基复合材料，将纳米CaCO?与其他功能性纳米材料复合添加到水性乳液中，赋予材料多功能性，如抗菌、自清洁等。国内则更多地关注纳米CaCO?对水性乳液产品常规性能的影响，如对水性涂料的耐擦洗性、耐水性，胶粘剂的粘接强度等性能的提升研究。目前，国内外对于纳米CaCO?在水性乳液中的分散稳定性和长期储存稳定性的研究还相对不足，如何实现纳米CaCO?在水性乳液中的均匀分散和长期稳定存在，仍是亟待解决的问题。

1.3研究内容与方法

本研究旨在通过碳化法制备纳米CaCO?，并对其进行表面改性，研究改性后的纳米CaCO?在水性乳液中的应用性能。具体研究内容包括：首先，采用碳化法制备纳米CaCO?，系统研究反应温度、二氧化碳气体流量、反应时间、添加剂种类及用量等因素对纳米CaCO?粒径、晶型和形貌的影响，优化制备工艺，以获得粒径可控、形貌规整、分散性好的纳米CaCO?。其次，选用合适的表面改性剂和改性方法对制备的纳米CaCO?进行表面改性，通过红外光谱、热重分析等手段表征改性效果，研究改性剂种类、用量、改性时间和温度等因素对改性效果的影响，确定最佳改性工艺条件。然后，将表面改性后的纳米CaCO?添加到水