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納米碳酸鈣6大應用領域及指標要求

納米碳酸鈣是指粒徑為1-100nm的功能性無機填料，廣泛應用于橡膠、塑料、造紙、油墨、涂料、密封膠與膠粘劑、醫(yī)藥、牙膏、食品等領域。但不同應用對納米碳酸鈣的粒級、晶形、吸油值、分散性等要求亦有所不同。
 
1、納米碳酸鈣在塑料中的應用
 
在塑料的加工與生產(chǎn)中，普通碳酸鈣產(chǎn)品只能作為一般的填料使用，而經(jīng)過改性的納米碳酸鈣除了作為填充劑，還能起到活性劑和補強劑的作用，可以增加塑料制品體積，提升制品的硬度和強度，改善塑料加工性能，并增強塑料制品的耐熱性、彎曲強度、彈性模量等各項性能指標。
 
納米碳酸鈣已廣泛應用于PVC，PS，PP等各種塑料的加工中，其中以PVC的用量最為龐大，尤其是電線電纜、管材等制品，納米碳酸鈣對PVC塑料具有很好的補強增韌作用，其主要的納米特性使加工后的PVC塑料具有很好的強度、阻隔性、阻燃性、熱穩(wěn)定性等力學性能。
 
塑料行業(yè)對納米碳酸鈣的技術要求主要有：
  • 吸油值：塑料行業(yè)對納米碳酸鈣的吸油值要求一般都很低，因為納米碳酸鈣的粒徑小，比表面積大，如果吸油值大則混煉時消耗的增塑劑就多，使體系粘度升高，不僅影響了加工性能，而且使生產(chǎn)成本上升。
  • 晶形：以立方體、球形為主，這些晶形的產(chǎn)品表現(xiàn)出的流動阻力較小，易于生產(chǎn)加工，且不影響塑料制品的表面光澤度。
  • 粒徑：應用于塑料中的納米碳酸鈣粒徑一般控制在100nm左右，粒徑過大不能體現(xiàn)納米碳酸鈣的效果，且會影響制品的外觀；粒徑過小會導致表面能增加，顆粒團聚嚴重，很難在加工時完全分散，導致制品表面出現(xiàn)顆粒。
  • 分散性：應選擇高分散性的納米碳酸鈣，如果納米碳酸鈣團聚嚴重，則二次粒徑會比一次粒徑大得多，而塑料加工混煉剪切力不是太強，有些團聚嚴重的納米碳酸鈣不容易打散，在應用時會引起局部缺陷，導致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題。
  • 水分：水分控制應不高于0.5%，若水分過高，會使塑料表面產(chǎn)生氣泡或空鼓等現(xiàn)象。
  • pH值：納米碳酸鈣的pH值應控制在10以下，若PH值偏高，會影響制品的白度，表面光澤度，使外觀變差，同時pH高還會使體系的粘度升高，影響加工過程。
 
在應用于塑料行業(yè)的各種非金屬礦粉材料中，碳酸鈣用量最大，約占到塑料添加劑總量的60～70%，但在高性能化應用研究中仍存在很多問題，特別是如何解決納米碳酸鈣的團聚，如何改進納米碳酸鈣分散效果，如何提升復合材料的粘結強度等方面尚未有效解決。
 
2、納米碳酸鈣在橡膠中的應用
 
納米碳酸鈣在橡膠工業(yè)中主要應用于輪胎，電線、電纜，橡膠制品等，可起到增加體積，降低成本，改進橡膠加工性能的作用。目前應用在橡膠中的碳酸鈣以重質(zhì)碳酸鈣和普通輕質(zhì)碳酸鈣為主，納米碳酸鈣的應用領域和范圍也在不斷擴大，添加納米碳酸鈣的橡膠制品在伸長率、壓縮變形、耐屈服性、抗撕裂性方面要遠強于普通的碳酸鈣。通過特殊工藝處理的納米碳酸鈣，表面活性高，在紫外線照射下，可析出自由移動的電子，極易與氧氣或有機物發(fā)生反應，殺死病毒和細菌，故納米碳酸鈣還具有殺菌消毒的效用。
 
輪胎：納米碳酸鈣可部分替代炭黑和白炭黑用于汽車輪胎的生產(chǎn)，但在補強效果方面仍有差距，因此在應用中以受應力較小的部位為主，如胎側、簾布膠、氣密層膠、內(nèi)層膠、緩沖膠等。在生產(chǎn)中，納米碳酸鈣與活性氧化鋅搭配使用可大幅提升輪胎胎面膠的強度。
 
膠管和膠帶：納米碳酸鈣在膠管、膠帶中主要起補強、增白，同時提高膠料分散性的效果。
 
電線電纜：納米碳酸鈣一般用于礦用電線電纜、高壓電線電纜、船用電線電纜等的保護套和電器電線電纜膠料。
 
橡膠行業(yè)對納米碳酸鈣的技術要求主要有：
  • 吸油值：橡膠行業(yè)對納米碳酸鈣的吸油值要求較高，吸油值越高，對橡膠的浸潤性和補強性就越好。
  • 晶形：由于橡膠要求補強性能非常高，故納米碳酸鈣的晶形應以鏈狀或鏈鎖狀為主，加工時鏈段會相互纏繞，可增強體系的強度。
  • 粒徑：應用于橡膠中的納米碳酸鈣粒徑一般以80～120nm為宜，粒徑過大無法起到補強的效果，而粒徑過小與橡膠浸潤的接觸面積增大，使分散困難，影響橡膠的混煉。
  • 水分：水分控制應不高于0.5%，若水分過高，則硫化的焦燒時間延長，不利于硫化速率的提升。
  • pH值：納米碳酸鈣的pH值主要影響其硫化速率，一般應控制在9.5～10.5，若pH值偏低，則硫化速率變慢，降低效率同時增加能耗。
 
在橡膠中添加納米碳酸鈣，可使膠料補強效果明顯提升，同時還可改善材料的抗老化性，耐油性，分散性。相比于普通輕鈣產(chǎn)品，納米碳酸鈣的補強效果更好，但比炭黑和白炭黑差，如果用納米碳酸鈣全部取代炭黑和白炭黑，會使材料的強度降低，如果使用量太大，還會發(fā)生粘輥現(xiàn)象，故在技術配方上需合理調(diào)試，不斷優(yōu)化。
 
3、納米碳酸鈣在膠黏劑中的應用
 
膠黏劑主要由基膠、固化劑、填料、偶聯(lián)劑、催化劑等組成。膠黏劑隨著我國房地產(chǎn)、包材、建材等領域的飛速發(fā)展用量急劇增加，納米碳酸鈣作為膠黏劑的重要填料之一，不僅價格較低，而且與膠黏劑相容性好，可加速膠的交聯(lián)過程，提升觸變性，提高粘結性、拉伸強度及補強效果。目前，納米碳酸鈣在聚硅氧烷密封膠中的應用技術已比較成熟，而在聚氨脂膠中的應用仍處于起步階段，聚氨脂膠具有優(yōu)異的粘結性和耐老化性，同時具有硅酮膠不具備的表面可涂飾性，并在無污染性、良好粘結性和耐候性的應用領域，聚氨脂膠具有明顯優(yōu)勢。
 
應用于膠黏劑中的納米碳酸鈣的技術要求主要有：
  • 吸油值：吸油值是硅酮膠生產(chǎn)廠家非常關注的一項指標，直接影響納米碳酸鈣在膠中的浸潤性，較高的納米碳酸鈣在力學性能和觸變性上較有優(yōu)勢，但會導致膠體粘稠，消耗更多助劑，增加了生產(chǎn)成本，不同廠家的配方體系對納米碳酸鈣吸油值要求各不相同，要視具體情況而定。
  • 晶形：一般為立方體或菱形六面體，同時也需與產(chǎn)品的技術要求及生產(chǎn)設備相適應。
  • 粒徑：一般控制在60～100nm，若粒徑太大，會降低膠的力學性能，同時會導致膠的觸變性變差，易流掛；粒徑太小，納米碳酸鈣團聚嚴重，生產(chǎn)時會使捏合變得困難，還容易導致分散性變差，膠體表面出現(xiàn)麻點。
  • 水分：應用于膠黏劑的納米碳酸鈣要求水分越低越好，一般要求小于0.5%，若納米碳酸鈣的水分較高，其表面的羥基增多，聚集體呈現(xiàn)出相互凝聚的傾向，在基膠作用下形成三維網(wǎng)絡，使膠料粘度增大，造成混煉時間加長，導致產(chǎn)量降低同時能耗增加；水分過多還會與制膠的助劑反應生成顆粒物，造成制品分散性變差，出現(xiàn)顆粒。在聚氨脂膠中，含有較多異氰酸根易發(fā)生水解，生成CO2是產(chǎn)品表面出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象。
  • pH值：碳酸鈣是一種弱堿鹽，pH值在8～10，納米活性碳酸鈣表面包覆劑一般多為弱有機酸或有機酸鹽，對其表面有一定的中和作用，在生產(chǎn)過程中，碳酸鈣返堿現(xiàn)象非常常見，若處理不好存在的堿會與膠料中的酸性成分生成水，使硅氧烷水解產(chǎn)生無機顆粒，不僅使制品外觀變差還會影響其力學性能。
  • 比表面積：由于粒徑控制在60～100nm，對應的比表面積應控制在20～25m2/g為宜，當比表面積過大，雖然補強效果增強，但同時會導致膠的擠出性能變差，同時也會影響產(chǎn)品的分散效果。
 
目前，國內(nèi)很多企業(yè)都在對新型膠黏劑做深入研究，如聚氨脂膠，MS膠等，不同的體系對納米碳酸鈣的技術要求也不一樣，隨著研究的深入和技術的成熟，納米碳酸鈣在新型膠黏劑領域會發(fā)揮更大的作用。
 
4、納米碳酸鈣在涂料中的應用
 
重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、納米碳酸鈣在涂料中均有廣泛應用，相比于重鈣或普通輕鈣，納米碳酸鈣在涂料中除了有較好的補強效果，還可提高涂料的遮蓋力、光澤度，透明性、快干性、及穩(wěn)定性。在某些行業(yè)中，如汽車涂料、建筑涂料等，納米碳酸鈣可部分或完全替代售價高昂的鈦白粉，以降低企業(yè)成本。
 
應用于PVC塑溶膠體系的納米碳酸鈣主要技術標有：
  • 吸油值：一般要求較低，若吸油值偏高會導致體系粘度升高，同時需要更多增塑劑，增加了生產(chǎn)成本，但不同產(chǎn)品對納米碳酸鈣吸油值要求也不完全不相同，要視具體情況而定，如有的客戶需要高吸油值、高粘度、高屈服值的產(chǎn)品。
  • 晶形：一般為立方體形。
  • 粒徑：一般控制在60～100nm，若粒徑太大，會降低體系粘度，影響其力學性能，同時會導致體系觸變性變差；若粒徑太小，納米碳酸鈣團聚嚴重，易導致分散性變差，膠體表面出現(xiàn)麻點，同時，則會引起粘度、屈服值的升高。
 
除了以上常規(guī)檢測指標外，應用于PVC塑溶膠體系的納米碳酸鈣還對一些應用性能有專門要求：
  • 有良好的觸變性，即高剪切變稀，低剪切變稠，納米碳酸鈣在PVC塑溶膠體系中施工時，在高剪切速率下粘度減小，有助于涂料的流動，而處于施工前后低剪切速率條件下粘度變高可有效防止涂料的流掛；
  • 具有較高的屈服值，可使涂料具備較好的強度，防止小的擾動和外力沖擊；
  • 具備良好的質(zhì)量穩(wěn)定性。
 
目前，國內(nèi)的納米碳酸鈣相比進口產(chǎn)品，在質(zhì)量穩(wěn)定性上存在較大差距，往往一些較好的指標很難持續(xù)出現(xiàn)和保持。
 
5、納米碳酸鈣在油墨中的應用
 
油墨主要由色料、連接料、填料、助劑等組成，經(jīng)改性的納米碳酸鈣與連接料相容性好，且具有光澤度高、穩(wěn)定性強、適應性強、不影響油墨的因數(shù)、干燥性能等優(yōu)勢，可綜合提高油墨的質(zhì)量且降低生產(chǎn)成本。
 
應用于油墨中的納米碳酸鈣要求性能較高，主要技術標有：
  • 分散性：分散性的好壞決定了油墨的光澤度、流動性和透明度；
  • 晶形：納米碳酸鈣的晶形以立方體為主，立方體的納米碳酸鈣具有較低吸油值，較好的流動性，易分散等特點；
  • 細度：粒徑一般在20～100nm之間；
  • 流動度：與晶形、粒徑有關，立方體和球體晶形表現(xiàn)出較大的流動度，而鏈狀的則表現(xiàn)出較小的流動度，生產(chǎn)企業(yè)需根據(jù)生產(chǎn)油墨的類型來選擇合適的納米碳酸鈣；
  • 光澤度：與碳酸鈣的晶形和粒度分布有關，立方體的納米碳酸鈣粒徑分布較窄，在油墨涂層中排列整齊，使印刷物表面平整，表現(xiàn)出良好的光澤性；
  • 白度：要求較低，因還需加入其他顏料，白度太高會引起不易著色。
 
在油墨行業(yè)中，納米碳酸鈣起著重要的作用，油墨的質(zhì)量決定著印刷品的質(zhì)量，使用納米碳酸鈣配制的油墨光滑、穩(wěn)定、印刷性好、遮蓋力強，在印刷過程中還表現(xiàn)出較好的吸墨性，有助于油墨的快干。
 
6、納米碳酸鈣在造紙中的應用
 
在造紙行業(yè)中，納米碳酸鈣的應用主要在以下幾方面：
 
作為造紙?zhí)盍?，納米碳酸鈣粒度小且均勻，對設備磨損小，使紙制品細膩均勻，同時粒徑小，吸油值和比表面積大，有利于顏料的牢固；白度好、亮度高、蔽光性好，可提高紙張的白度和蔽光性；可節(jié)省紙漿使用量，降低成本，同時有利于環(huán)境保護。
 
在卷煙紙中，納米碳酸鈣的添加量約45%～50%，是因為納米碳酸鈣具有折光率高，不透明性較好，使卷煙紙內(nèi)部的煙絲無法從外部看到；煙在燃燒時，碳酸鈣釋放出的CO2，一定程度上控制了燃燒速度又不至于使煙熄滅，同時碳酸鈣可使燃燒后的灰分很好的保持在原有位置；可增加紙張的透氣性，使卷煙中焦油的含量降低。
 
在高檔衛(wèi)生用紙中，尤其是在女性用品、嬰兒用品如衛(wèi)生巾、尿不濕、紙尿褲等產(chǎn)品中，納米碳酸鈣用量很大，主要用來生產(chǎn)透氣性好同時不透水的聚乙烯薄膜，此外由于納米碳酸鈣粒徑小，制成的產(chǎn)品細膩，不傷皮膚，不會對人體造成感官上的不舒適。
 
在造紙涂料中的應用。與造紙?zhí)盍喜煌氖?，涂布用的納米碳酸鈣主要以料漿的的形式運輸，優(yōu)點是節(jié)省生產(chǎn)能耗，降低成本，無粉塵很環(huán)保，可直接泵入使用，簡化生產(chǎn)流程。納米碳酸鈣由于具有白度高、比表面積大、活性高、補強性好等特點可提高涂布紙的光澤度、白度、平滑度、表面強度和油墨吸收性。
 
在不同的產(chǎn)品中，對納米碳酸鈣晶形的要求也不相同。用在造紙?zhí)盍蠒r以紡錘形、鏈狀、球狀為主；在卷煙紙中使用時以紡錘形、針狀為主；用在造紙涂料中時以紡錘形、片狀、立方形為主。
 
納米碳酸鈣在造紙行業(yè)的應用仍有巨大的開發(fā)潛力，由于在使用過程中仍存在很多技術瓶頸和應用問題需解決，目前造紙用的高檔納米碳酸鈣產(chǎn)品仍依賴進口。但隨著造紙技術的不斷發(fā)展，造紙工藝由原來的酸性施膠向中性、堿性施膠工藝轉(zhuǎn)變，為碳酸鈣在造紙中的發(fā)展提供了良好契機，納米碳酸鈣的應用也會變得更加廣泛。
 
中國的經(jīng)濟和社會在持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)技術等方面和發(fā)達國家之間的差距越來越小，有足夠的理由認為中國的納米碳酸鈣行業(yè)會趕上并趕超世界發(fā)達國家。從事納米級材料的研究者和生產(chǎn)企業(yè)均應在納米級無機粉體材料的應用性能上下功夫，開發(fā)出功能性、專用納米級無機功能材料。
 
納米碳酸鈣產(chǎn)業(yè)鏈涉及原料、生產(chǎn)和應用等行業(yè)企業(yè)較多，要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的融合，相關企業(yè)之間的技術交流與創(chuàng)新至關重要，只有滿足各產(chǎn)業(yè)間的供需要求，擴大市場，才能實現(xiàn)共贏。
 
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