淺析碳酸鈣的定義、分類和性質(zhì)

碳酸鈣的定義、分類和性質(zhì)

碳酸鈣的定義

碳酸鈣是一種無機(jī)化合物，是石灰?guī)r石（簡稱石灰石）的主要成分，其分子式為CaCO3，分子質(zhì)量為100.09。其中氧化鈣(CaO)占56.03%，二氧化碳（CO2）占43.97%。

碳酸鈣的分類

1、按生產(chǎn)方法分類

根據(jù)碳酸鈣生產(chǎn)方法的不同，可以將碳酸鈣分為輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣和活性碳酸鈣。

（一）、輕質(zhì)碳酸鈣 又稱沉淀碳酸鈣，簡稱輕鈣，是將石灰石等原料煅燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分是氫氧化鈣），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，經(jīng)脫水，干燥和粉碎而制得。由于輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積（2.4～2.8mL/g），比重質(zhì)碳酸鈣的沉降體積（1.1～1.4mL/g）大，所以稱之為輕質(zhì)碳酸鈣。

（二）、重質(zhì)碳酸鈣 簡稱重鈣，是用機(jī)械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白堊、貝殼等而制得。由于重質(zhì)碳酸鈣的沉降體積比輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積小，所以稱之為重質(zhì)碳酸鈣。

（三）、活性碳酸鈣 又稱改性碳酸鈣，表面處理碳酸鈣，膠質(zhì)碳酸鈣或白艷華，簡稱活鈣，是用表面改性劑對輕質(zhì)碳酸鈣或重質(zhì)活性鈣進(jìn)行表面改性而制得。由于經(jīng)表面改性劑改性后的碳酸鈣一般都具有補(bǔ)強(qiáng)作用，即所謂的“活性”，所以習(xí)慣上把改性碳酸鈣都稱為活性碳酸鈣。

2、按粉體粒徑分類

碳酸鈣產(chǎn)品是一種粉體，根據(jù)碳酸鈣粉體平均粒徑（d）的大小，可以將碳酸鈣分為微粒碳酸鈣（d>5um）、微粉碳酸鈣(0.1um<d≤5um)、微細(xì)碳酸鈣（0.1um<d≤1um）、超細(xì)碳酸鈣（0.02um<d≤0.1um）和超微細(xì)碳酸鈣（d≤0.02um）。

（1）、輕質(zhì)碳酸鈣的粉體特點(diǎn)

a．顆粒形狀規(guī)則，可視為單分散粉體，但可以是多種形狀，如紡錘形、立方形、針形、鏈形、球形、片形和四角柱形。這些不同形狀的碳酸鈣可由控制反應(yīng)條件制得。

b.粒度分布狹窄。

c.粒徑小，平均粒徑一般為1～3um。要確定輕質(zhì)碳酸鈣的平均粒徑，可用三軸粒徑中的短軸粒徑作為表觀粒徑，再取中粒徑作為平均粒徑。以后除說明外，平均粒徑，即指平均短軸粒徑。

（2）、重質(zhì)碳酸鈣的粉體特點(diǎn)

a. 顆粒形狀不規(guī)則，是多分散粉體。

b. 粒徑分布較寬。

c. 粒徑大，平均粒徑一般為5～10um。要確定重質(zhì)碳酸鈣的平

均粒徑，需要測定粒徑分布函數(shù)和諸如顆粒沉降速度或比表面積之類的粉體現(xiàn)象函數(shù)。作為一種簡單的方法是在電子顯微鏡照片上測量顆粒投影的長度和寬度，計(jì)算幾何平均粒徑作為表觀粒徑，再取中位粒徑作為平均粒徑。

（3）、活性碳酸鈣的平均粒徑取為表面改性前輕質(zhì)碳酸鈣或重質(zhì)碳酸鈣的平均粒徑。

3．按微觀排列分類

根據(jù)組成碳酸鈣的原子和離子的排列是否有規(guī)律，可以將碳酸鈣分為晶體碳酸鈣和非晶體碳酸鈣。

4．按結(jié)晶形狀分類

根據(jù)碳酸鈣結(jié)晶形狀的不同，可將輕質(zhì)碳酸鈣分為紡錘形碳酸鈣、立方形碳酸鈣、針形碳酸鈣、鏈形碳酸鈣、球形碳酸鈣、片形碳酸鈣和四角柱形碳酸鈣。這些不同結(jié)晶的碳酸鈣可由控制反應(yīng)條件制得。重質(zhì)碳酸鈣則為不規(guī)則形碳酸鈣。活性碳酸鈣的形狀一般為表面改性前輕質(zhì)碳酸鈣或重質(zhì)碳酸鈣的形狀。

碳酸鈣的性質(zhì)

1．物理性質(zhì)

（a）密度 各種碳酸鈣的同質(zhì)異構(gòu)體的密度不同。密度平均值為2.710g/cm3，霰石為2.929g/cm3，球霰石為2.650g/cm3。

（b）硬度 方解石的莫氏硬度為3，霰石的約為3.5～4。

（c）強(qiáng)度 只可測出方解石根據(jù)直徑d(mm)不同，經(jīng)多大力p(kgf=9.8N)就壓碎。直徑在0.1～2mm之間時(shí)關(guān)系為p=0.95d+0.091d2。

（d）分解溫度 在常壓下，方解石的分解溫度為898℃，霰石的分解溫度為825℃，球霰石則在溫度升到分解溫度之前已轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?，所以球霰石的分解溫度不存在?

（e）熔點(diǎn) 在較大的壓力范圍內(nèi)，方解石在溫度升到熔點(diǎn)之前已分解為氧化鈣和二氧化碳，所以在較大壓力范圍內(nèi)，方解石的熔點(diǎn)不存在。當(dāng)壓力為10.4Mpa時(shí)，方解石的熔點(diǎn)為1339℃。由于霰石在高溫高壓下會轉(zhuǎn)變成方解石，所以霰石的熔點(diǎn)不存在。球霰石是不穩(wěn)定型，其熔點(diǎn)也不存在。

（f）濃度積、溶解度和PH值 各種碳酸鈣的同質(zhì)異構(gòu)體的濃度積是相同的。在25℃時(shí)，碳酸鈣在水中的濃度積為8.7×10ˉ9。碳酸鈣在冷水（25℃）和熱水（100℃）中的溶解度（100克水中溶解克數(shù)）分別為0.0014和0.0020。在常溫下，碳酸鈣水溶液的PH值為9.5～10.2。水中如溶解有二氧化碳，則碳酸鈣的溶解度會增大。在常溫下，在被空氣飽和的水中，碳酸鈣水溶液的PH值為8.0～8.6。

（g）熱膨脹系數(shù) 方解石的熱膨脹系數(shù)取決于測量的方向。在常溫下，平行于c軸方向的熱膨脹系數(shù)約為2.5×10ˉ6℃ˉ1，垂直于c軸方向的熱膨脹系數(shù)約為5×10ˉ6℃ˉ1，而垂直于菱面體晶格的熱膨脹系數(shù)約為11×10ˉ6℃ˉ1在常溫下，霰石在晶軸a、b和c方向的熱膨脹系數(shù)αa、αb和αc約為10×10ˉ6℃ˉ1、16×10ˉ3℃ˉ1和32×10ˉ3℃ˉ1

（h）比熱容 方解石和霰石在普通溫度和較高溫度下的比熱容差別不大，在1200℃以內(nèi)的平均定壓比熱容Cp=0.8257+0.000762KJ/(kg· k)

2．化學(xué)性質(zhì)

(1)在常壓下加熱到898℃（方解石）或825℃（霰石）時(shí)，碳酸鈣將分解成氧化鈣（Ca0）和二氧化碳（CO2）:

CaCO3===CaO+CO2↑

(2)碳酸鈣幾乎與所有的強(qiáng)酸發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)的鈣鹽，同時(shí)放出二氧化碳。如：

CaCO3+2HcL===CO2+CaCL2+H2O

(3)碳酸鈣在含二氧化碳的水中的溶解度比在無二氧化碳的水中高得多，這是因?yàn)檫@時(shí)碳酸鈣生成了比較易溶的碳酸氫鈣（Ca(HCO3)2）:

CaCO3+H2O+CO2===Ca(HCO3)2

(4)碳酸鈣可以形成6個(gè)水的水含物CaCO3?6H2O,可通過往單蔗糖鈣溶液中通入CO2而制得。普通碳酸鈣則不形成水合物。

(5)除酸以外,許多腐蝕性物質(zhì)都不能腐蝕或者只能緩慢地腐蝕碳酸鈣。

輕質(zhì)活性鈣的制造過程

輕質(zhì)活性鈣的定義和分類

活性碳酸鈣，又稱改性碳酸鈣、膠質(zhì)碳酸鈣或白艷華，簡稱活鈣，是用表面改性劑對輕質(zhì)碳酸鈣或重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性而制得。表面改性劑一般是具有兩親基團(tuán)的有機(jī)物（如高級脂肪酸、表面活性劑、偶聯(lián)劑等）。經(jīng)表面改性劑改性后的碳酸鈣一般具有粒徑小、吸油值低、分散性好、能補(bǔ)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但主要的優(yōu)點(diǎn)是具有補(bǔ)強(qiáng)性，即所謂的“活性”，所以習(xí)慣上將改性碳酸鈣均稱為活性碳酸鈣，將改性過程稱為活化過程。

根據(jù)活性碳酸鈣所用原料的不同，可將活性碳酸鈣分為活性輕質(zhì)（沉淀）碳酸鈣和活性重質(zhì)碳酸鈣。根據(jù)活性碳酸鈣粒徑的大小，可將活性碳酸鈣分為活性普通碳酸鈣、活性微細(xì)碳酸鈣和活性超細(xì)碳酸鈣。根據(jù)表面改性劑的不同，可將活性碳酸鈣分為各種反應(yīng)的活性碳酸鈣。

活化原理

水和油是互不相溶的，因?yàn)樗菬o機(jī)物，油是有機(jī)物。盡管精心振蕩混合，它們終還是會分成兩層。水在下，油在上。但如果將表面活性劑加到水和油的混合溶液中，表面活性劑的親水基與水分子結(jié)合，親油基和油分子結(jié)合，這樣通過表面活性劑的“橋梁”作用，把本來互不相溶的水和油融合在一起，使水滴可以穩(wěn)定地分散在油中或油滴可以穩(wěn)定地分散在水中。

對于碳酸鈣（固體無機(jī)物）和高聚物（橡膠和塑料等，固體有機(jī)物），也可以通過具有兩親基團(tuán)的有機(jī)物（表面改性劑，即高級脂肪酸、表面活性劑、偶聯(lián)劑等）的“橋梁”作用，把它們?nèi)诤显谝黄穑固妓徕}更好地分散在高聚物中，并具有一定的補(bǔ)強(qiáng)性。

活化原理即活性碳酸鈣的生產(chǎn)原理，就是要將表面改性均勻地涂覆到碳酸鈣顆粒的表面，使碳酸鈣表面有一層表面改性劑的單分子層，表面改性劑的親水基團(tuán)與碳酸鈣表面進(jìn)行類似化學(xué)鍵的結(jié)合，表面改性劑的親油基團(tuán)則定向排列于活性碳酸鈣的表面。

工藝流程

工藝上常用的活性碳酸鈣的生產(chǎn)工藝流程有兩種，一是濕法生產(chǎn)工藝流程，另一是干法生產(chǎn)工藝流程。兩中流程各有優(yōu)缺點(diǎn)：濕法生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)是活化均勻，缺點(diǎn)是投資大、成本高，對活化劑的要求也法生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)是投資少、成本低，對活性劑的要求不高，缺點(diǎn)是活化不太均勻。

1． 濕法生產(chǎn)工藝流程

工藝流程是以輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)工藝流程為基礎(chǔ)，所以只能用來生產(chǎn)活性輕質(zhì)碳酸鈣。該工藝流程與輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)工藝流程區(qū)別主要有兩點(diǎn)，一是增加了活化步驟，另一是用板式干燥器代替轉(zhuǎn)筒干燥器。

將輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程中碳化得到的碳酸鈣懸浮液用泵送入活化器中，并按碳酸鈣（不計(jì)水）流量的1%將表面改性劑同時(shí)加入活化器中，活化器是一個(gè)體積不大的帶攪拌的反應(yīng)罐，在攪拌的作用下，表面改性劑與碳酸鈣懸浮液進(jìn)入活化器后瞬間即達(dá)到幾乎完全混合，表面改性劑與碳酸鈣懸浮液在活化器中停留規(guī)定時(shí)間后，從活化器出口出來。活化的碳酸鈣脫水后送入干燥器中干燥，一般用水蒸氣或?qū)嵊妥鳛闊嵩?，干燥后的活性碳酸鈣可直接作為產(chǎn)品包裝，也可以經(jīng)粉碎后包裝。

濕法生產(chǎn)過程較適合于水溶性的表面改性劑，如高級脂肪酸等。

2． 干法生產(chǎn)工藝流程

該工藝流程是將表面改性劑與干燥的輕質(zhì)碳酸鈣或重質(zhì)碳酸鈣用高速攪拌機(jī)或高速混和機(jī)混合進(jìn)行活化，從而制得活性碳酸鈣。

6.3 輕質(zhì)碳酸鈣在塑料中的作用及影響

碳酸鈣是用量，使用范圍廣的一種無機(jī)填充劑（又稱無機(jī)填料）。碳酸鈣主要用于橡膠、塑料、建材、紙張、油漆、醫(yī)藥、食品、飼料、化妝品、油墨等的生產(chǎn)、加工和應(yīng)用中。碳酸鈣主要的作用就是增加產(chǎn)品的體積，降低生產(chǎn)成本。下面重點(diǎn)講一下碳酸鈣在塑料中的作用。

6.3.1 碳酸鈣在塑料中的作用

（1）增加塑料體積、降低產(chǎn)品成本 碳酸鈣也是塑料工業(yè)中使用較早、用量較大的填充劑。碳酸鈣地填充在聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯工聚物（ABS）的等樹脂中,以增加塑料制品的體積,節(jié)約昂貴的樹脂,降低產(chǎn)品成本。

（2）提高塑料的尺寸穩(wěn)定性 碳酸鈣的添加，在塑料中起到一定的骨架作用，對塑料尺寸的穩(wěn)定有很大作用。由于在塑料中既要考慮塑料的彈性、沖擊強(qiáng)度。還必須要求制品有一定的尺寸穩(wěn)定性。因此，要根據(jù)塑料自身不同的要求，對碳酸鈣提出粒徑和晶形等要求。

（3）提高塑料的硬度和剛性 在塑料中，特別是軟質(zhì)聚氯乙烯中，塑料的硬度隨碳酸鈣配入量的增加而增大，塑料的伸長率又隨其硬度的增加而降低。顆粒細(xì)、吸油值大的碳酸鈣，塑料硬度的增大率大。反之，顆粒粗、吸油值小的碳酸鈣，塑料硬度的增長率小。在軟質(zhì)聚氯乙烯中，以加重質(zhì)碳酸鈣的塑料硬度增長率為小，加輕質(zhì)碳酸鈣的塑料硬度增長率次之。

碳酸鈣在塑料內(nèi)一般不能起補(bǔ)強(qiáng)作用，碳酸鈣的顆粒常?？梢员粯渲櫍蕴妓徕}添加的正常作用是使塑料剛性增大，塑料的彈性模量和硬度也增大。但隨著添加量的增加，塑料的拉伸強(qiáng)度和極限伸長率都下降。

（4）改善塑料的加工性能 碳酸鈣的添加，可以改變塑料的流變性能。

碳酸鈣的添加，特別是經(jīng)過表面改性的碳酸鈣添加之后，不僅可以提高制品的硬度，還可以提高制品的表面光澤和表面平整性。此外，可以減小塑料的收縮率、熱膨脹系數(shù)、蠕變性能，這就為加工成型創(chuàng)造了有利條件。

（5）提高塑料的耐熱性 碳酸鈣的添加，可以提高塑料的耐熱性。例如：在聚氯乙烯中，添加40%的碳酸鈣時(shí)，塑料的耐熱溫度提高約20℃。當(dāng)碳酸鈣的填充比≤20%時(shí)，塑料的耐熱溫度一般提高8～12℃。

（6）改進(jìn)塑料的散光性 在塑料中，有的制品要求增白而不透明，有的希望消光。碳酸鈣的添加在這方面可以發(fā)揮一定的作用。白度在90度以上的碳酸鈣，在塑料中有明顯的增白作用。如與鈦白粉、立德粉（鋅鋇白）配合，塑料的散光性則有很大的改進(jìn)。

在鈣塑紙張中，在低密度聚乙烯（LDPE）及高密度聚乙烯（HDPE）薄膜中，添加碳酸鈣都可以達(dá)到散光和消光作用，使之適宜于書寫、印刷。白度較好的碳酸鈣還可以取代昂貴的白色顏料。

（7）可使塑料具有某些特殊性能 碳酸鈣添加于電纜料中有一定的絕緣作用。碳酸鈣的添加，可以提高某些塑料的電鍍性能、印刷性能。微細(xì)碳酸鈣或超細(xì)碳酸鈣添加在聚氯乙烯（PVC）中，有一定的阻燃作用。

6.3.2 輕質(zhì)碳酸鈣對型材的影響及相關(guān)質(zhì)量控制

（1）粒度范圍的影響

從理論和實(shí)驗(yàn)都證明輕質(zhì)活性碳酸鈣在型材中的平均粒徑一般為1～5um，但顆粒過大或過小必須嚴(yán)格限制，從粒徑分布圖顯示越窄越好。附后兩張粒徑圖作了一個(gè)比較。

（2）白 度

輕質(zhì)碳酸鈣白度在90度以上對塑料有明顯的增白作用，但每批次的白度差異應(yīng)控制在2度以內(nèi)，如果超出會造成型材色澤的不一致，影響型材外觀。

（3）雜 質(zhì)

輕質(zhì)碳酸鈣在生產(chǎn)過程中由于原材料、環(huán)境等因素不可避免有雜質(zhì)，特別是黑雜質(zhì)的混入，如雜質(zhì)含量超過一定范圍會在型材表面造成麻點(diǎn)，影響光澤度。

（4）水 份

輕質(zhì)活性鈣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水份≤1.0%，但在型材行業(yè)使用一般控制在0.4%以內(nèi),如水份過高會在型材擠出過程中造成氣泡,形成劃痕,影響型材外觀。

6.3.3碳酸鈣對塑料老化的影響

作為高分子聚合物，在光、熱等環(huán)境條件下會發(fā)生分子鏈的斷裂，同時(shí)有可能產(chǎn)生接枝或交聯(lián)反應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能下降，這種現(xiàn)象稱之為老化。

在光的作用下聚乙烯塑料薄膜極易發(fā)生老化。針對聚乙烯光老化機(jī)理研制生產(chǎn)了光穩(wěn)定劑。當(dāng)碳酸鈣加入到聚乙烯中制成薄膜后，對其老化性能影響是決定我們?nèi)绾卧诘啬せ蚺c陽光頻繁接觸的聚乙烯或聚丙烯塑料制品中使用碳酸鈣的問題。

實(shí)驗(yàn)表明含有碳酸鈣或滑石粉的聚乙烯薄膜在日光暴曬過程中，達(dá)到一定值羰基指數(shù)（CI）的時(shí)間都少于純聚乙烯薄膜，表明碳酸鈣的存在對聚乙烯薄膜的老化是有一定寸進(jìn)作用的，見下表列出碳酸鈣改性母料填充PE薄膜在人工加速氙燈老化前后力學(xué)性能的變化數(shù)據(jù)。檢測結(jié)果表明隨著碳酸鈣用料增加，在同樣老化條件下，填充PE薄膜老化速度加快。