编号：SLHY00215
篇名： 白云石矿制备不同形貌碳酸钙及其在PP中的应用研究
作者： 齐婷玉
关键词： 白云石; 碳酸钙; 晶体生长; 生长机理; 聚丙烯;
机构：沈阳化工大学
摘要： 我国白云石矿产资源丰富、分布广泛,是制备碳酸钙的理想原料,具有重要的研究价值与应用潜力。但目前白云石矿主要用来生产初级产品,附加值不高。本论文采用铵浸法提取白云石矿中的钙,通过碳化反应制得形貌可控的立方体碳酸钙、枝状碳酸钙及晶须状碳酸钙,可实现白云石矿的高附加值利用。主要研究了工艺参数对碳酸钙形貌、晶型及生长机理的影响,为新型材料的开发及白云石的综合利用提供了理论和技术支持。采用X射线衍射、扫描电镜、透射扫描电镜、傅里叶红外光谱、粒度分析等表征手段对样品进行分析,并结合模拟软件对晶体生长机理进行研究。研究结果如下: （1）在碳化反应温度为40℃、Ca2+初始浓度为0.8 mol/L、CO2通气速率为50mL/min、陈化温度为45℃、转速为200 rpm、陈化4 h的条件下,制备出形貌规整、粒度分布均匀的方解石型立方体碳酸钙,中位径D50为36.7μm,纯度达到98.7%,白度96。生长机理研究结果表明,方解石碳酸钙的（110）晶面为主要暴露的晶面,决定了晶体形态为立方状。（110）面结构较为稳定会成为经常显露晶面,（012）晶面的总能量最高、但结构不稳定,更容易被新生晶面叠合而消失,制得的碳酸钙呈现立方状。 （2）在碳化反应温度为80℃、Ca2+初始浓度为0.7 mol/L、陈化温度为100℃、未经过陈化（0 h）的条件下,制备出形貌规整、粒度分布均匀的枝状碳酸钙,晶型为文石型和方解石型的混合相,文石晶型含量占95.2%,中位径D50为3.1μm,纯度达到98.7%,白度96。根据平界面失稳的动力学理论,由于晶体的不同取向和位置生长驱动力不同,反应中生成的不稳定多晶型和无定型微粒会随着反应的进行,生成亚稳态多晶结构,最终转化为稳定的方解石结构。结合高分辨透射电子显微镜结果分析可知,实验条件下制得的枝状晶体为文石型碳酸钙且其分支沿（102）晶面法线方向优先生长。 （3）在碳化反应温度为90℃、CO2通气速率为50 mL/min、溶液初始p H值为9.5、Cl-:NO3-:Mg2+浓度比为2:2:4的条件下,制备出分布均匀、形貌规整、平均长径比为20、晶须含量为98.7%的文石型碳酸钙晶须。生长机理研究结果表明,Mg2+在碳化过程中粘附于碳酸钙表面,抑制方解石相的形成,加快碳酸钙晶体通过顶点角连接的面簇的生长速度,形成文石;Cl-和NO3-对晶须含量有显著影响,碳酸钙的（221）晶面为主要暴露晶面,决定了晶体形态为六边形,而（130）和（041）晶面的暴露促使晶须纵向生长。 （4）采用硬脂酸钠作为改性剂,在80℃、500 rpm、6%浆料比和3%改性剂添加量的条件下,对三种不同晶型碳酸钙进行表面改性实验。实验结果表明,改性处理后三种碳酸钙的吸油值均显著降低,其中枝状碳酸钙和晶须状碳酸钙的吸油值分别降低了39.6%和42.1%。将改性后的碳酸钙与聚丙烯进行混炼,研究了不同晶型碳酸钙对聚丙烯复合材料力学性能的影响。实验发现,添加改性方解石型碳酸钙的聚丙烯复合材料拉伸强度较添加未改性方解石型碳酸钙的聚丙烯复合材料降低了7.3MPa,但断裂伸长率提高了12.2%;添加改性文石型碳酸钙的聚丙烯复合材料拉伸强度较添加未改性文石型碳酸钙聚丙烯复合材料增加了13.7 MPa,断裂伸长率提高了37.7%;当改性枝状碳酸钙添加量为30%时,聚丙烯复合材料的力学性能达到最优,其拉伸强度为44.6 MPa,断裂伸长率为499.9%。