专利名称：一种透镜状高纯球霰石型碳酸钙晶体及其制备方法
技术领域：
本发明属于无机盐材料技术领域，特别涉及透镜状高纯球霰石型碳酸钙晶体及其制备方法。
背景技术：
碳酸钙作为工业生产中的重要无机填料，广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、油墨等行业。其优点在于无毒、色白、价格低廉、易于加工处理等。碳酸钙存在多种晶型，一般以方解石、文石、球霰石三种晶型存在。方解石稳定性最强，球霰石和文石都是亚稳晶型。常规合成工艺，如二氧化碳通入氢氧化钙进行碳酸化反应或水溶性钙盐和碳酸盐进行沉淀反应，制备的碳酸钙一般是方解石，并且得到的碳酸钙产品容易聚集结块，使其在应用中受到极大地限制，在改善材料性能方面起不到理想效果。相比于方解石型和文石型碳酸钙，球霰石型碳酸钙具有更大的比表面积、更高的表面活性，在提高产品物理性能方面更加有效。近年来，关于合成球霰石型碳酸钙的文献和专利多集中在如何合成单分散性好、粒径均一的球霰石型碳酸钙。CN1631792(CN200410089086. 6)公开了一种单分散的微米短纤维状球霰石型碳酸钙及制备方法。该碳酸钙晶体为针状短纤维形，其尺寸长为2 8微米，宽为0. 3 1. 5微米，长径比在5 10，球霰石型碳酸钙含量大于90%。该针状短纤维碳酸钙晶体表面附载有50 300nm的小颗粒。本发明的制备方法是将含有水溶性有机溶剂的碳酸盐水溶液与含有水溶性有机溶剂的钙盐水溶液混合，碳酸根和钙离子的浓度为0. 01 0. lmol/L，碳酸根与钙离子的摩尔比为1. 2 0. 8 1，溶液化学反应温度控制在5°C至50°C，反应时间大于0. 5小时的工艺条件下，进行离子沉积合成碳酸钙晶体；所述的水溶性有机溶剂为乙醇、 异丙醇、丙酮、乙醚、乙二醇二甲醚或者四氢呋喃。利用水溶性有机溶剂和水对碳酸盐和钙盐的不同溶解性，及对钙离子和碳酸根的溶剂化作用不同而合成。该碳酸钙具有良好的单分散性、分布均一性、大长径比，高表面活性，适用于纸张的涂布，塑料、涂料、油墨、纸张等的填充，也可作为钙制剂的原料。已报道的球霰石型碳酸钙晶体的制备方法中或者得到的产品不稳定，晶体尺寸形貌不易控制，或者制备方法复杂，实验条件较难于控制。因此采用简单的实验方法和温和的条件合成具有工业应用价值的球霰石型碳酸钙具有重要的实际应用意义。室温条件下，通过溶液混合的方法，在水溶液中通过离子液体型表面活性剂调控制备单分散透镜状球霰石型碳酸钙的技术还未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种产率高，单分散的、透镜状高纯球霰石型碳酸钙及其制备方法。本发明的技术方案如下一种透镜状球霰石型碳酸钙晶体，该碳酸钙晶体是由尺寸为50 150nm的纳米球颗粒聚集形成的直径为0. 8 3. 0 μ m、厚度为0. 5 2. 5 μ m的透镜状结构，球霰石型碳酸钙含量为100%。本发明的透镜状球霰石型碳酸钙，是采用溶液混合的方法，通过在水溶液中加入离子液体型表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯([C4mim] [C12H25SO4])形成的胶束体系作为模板，诱导得到形貌为由纳米球亚结构组装聚集形成的透镜状结构球霰石型碳酸钙。根据本发明，优选的，所述透镜状球霰石型碳酸钙晶体是由尺寸约为70 90nm的纳米球颗粒聚集形成的，直径约为1. 8 2. 7 μ m，厚度约为1. 5 2. 0 μ m ；球霰石型碳酸钙含量为100%。根据本发明，优选的，所述透镜状球霰石型碳酸钙晶体是由尺寸约为100 130nm 的纳米球颗粒聚集形成的，直径约为2. 2 2. 8 μ m，厚度约为1. 0 1. 5 μ m ；球霰石型碳酸钙含量为100%。根据本发明，优选的，所述透镜状球霰石型碳酸钙晶体是由尺寸约为50 SOnm的纳米球颗粒聚集形成的，直径约为1. 5 2. 5 μ m，厚度约为0. 8 1. 4 μ m ；球霰石型碳酸钙含量为100%。根据本发明，优选的，所述透镜状球霰石型碳酸钙晶体是由尺寸约为70 SOnm的纳米球颗粒聚集形成的，直径约为0. 9 1. 6 μ m，厚度约为0. 7 1. 0 μ m ；球霰石型碳酸钙含量为100%。一种透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，包括步骤如下(1)将水溶性碳酸钠加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为0. 4 0. 6mol/L碳酸钠水溶液；(2)将水溶性氯化钙加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为0. 4 0. 6mol/L氯化钙水溶液；(3)将离子液体型表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，调节所得离子液体型表面活性剂溶液的PH值为7. 0 11. 0，浓度为 7·5 30mmol/L。(4)在室温条件下，将步骤(1)制得的碳酸钠水溶液加入到步骤(3)的离子液体型表面活性剂溶液中，再加入步骤( 制得的氯化钙水溶液，控制混合溶液中碳酸钠和氯化钙的浓度分别为70 80mmol/L，碳酸钠与氯化钙的摩尔比为0.85 1.15 1。将混合溶液室温下搅拌1 1. 5小时，室温陈化40 48小时，所得的反应混合液经离心或过滤分离，固体产物用水和乙醇洗涤，室温下自然晾干即得到单分散的透镜状球霰石型碳酸钙。上述步骤(3)中溶液的pH用氢氧化钠溶液进行调节。上述步骤(3)中所述的离子液体型表面活性剂1- 丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯可以市场购买，也可按现有技术制备。本发明提供以下优选的制备方法所述的离子液体型表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯，可按以下方法制备反应瓶中加入1- 丁基-3-甲基咪唑氯(C4mimCl)，十二烷基硫酸钠(SDS)和二氯甲烷溶剂，室温下搅拌3小时，过滤，取清液，水洗至无氯离子，旋蒸除去溶剂，得到白色固体即1- 丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯([C4mim] [C12H25SO4])。
权利要求
1.一种透镜状球霰石型碳酸钙晶体，其特征在于该碳酸钙晶体是由尺寸为50 150nm 的纳米球颗粒聚集形成的直径为0. 8 3. 0 μ m、厚度为0. 5 2. 5 μ m的透镜状结构，球霰石型碳酸钙含量为100%。
2.如权利要求1所述的透镜状球霰石型碳酸钙晶体，其特征在于，所述碳酸钙晶体是由尺寸为70 90nm的纳米球颗粒聚集形成的，直径为1. 8 2. 7 μ m，厚度为1. 5 2.0μπι;球霰石型碳酸钙含量为100%。
3.如权利要求1所述的透镜状球霰石型碳酸钙晶体，其特征在于，所述碳酸钙晶体是由尺寸为100 130nm的纳米球颗粒聚集形成的，直径为2. 2 2. 8 μ m，厚度为1. 0 1.5μπι;球霰石型碳酸钙含量为100%。
4.如权利要求1所述的透镜状球霰石型碳酸钙晶体，其特征在于，所述碳酸钙晶体是由尺寸为50 80nm的纳米球颗粒聚集形成的，直径为1. 5 2. 5 μ m，厚度为0. 8 1.4μπι;球霰石型碳酸钙含量为100%。
5.如权利要求1所述的透镜状球霰石型碳酸钙晶体，其特征在于，所述碳酸钙晶体是由尺寸为70 SOnm的纳米球颗粒聚集形成的，直径为0. 9 1. 6 μ m，厚度为0. 7 1. Oym;球霰石型碳酸钙含量为100%。
6.权利要求1 5任一项所述的透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，包括步骤如下(1)将水溶性碳酸钠加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为0.4 0. 6mol/L 碳酸钠水溶液；(2)将水溶性氯化钙加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为0.4 0. 6mol/L 氯化钙水溶液；(3)将离子液体型表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯加入到去离子水中，室温下搅拌溶解，调节所得离子液体型表面活性剂溶液的PH值为7. 0 11. 0，浓度为 7·5 30mmol/L ；(4)在室温条件下，将步骤(1)制得的碳酸钠水溶液加入到步骤( 的离子液体型表面活性剂溶液中，再加入步骤( 制得的氯化钙水溶液，控制混合溶液中碳酸钠和氯化钙的浓度分别为70 80mmol/L，碳酸钠与氯化钙的摩尔比为0. 85 1. 15 1 ；将混合溶液室温下搅拌1 1. 5小时，室温陈化40 48小时，所得的反应混合液经离心或过滤分离，固体产物用水和乙醇洗涤，室温下自然晾干即得到单分散的透镜状球霰石型碳酸钙。
7.如权利要求6所述的透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，其特征在于，步骤(3)中溶液的PH用氢氧化钠溶液进行调节。
8.如权利要求6所述的透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，其特征在于，所述的离子液体型表面活性剂1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯，按以下方法制备反应瓶中加入1-丁基-3-甲基咪唑氯，十二烷基硫酸钠和二氯甲烷溶剂，室温下搅拌 3小时，过滤，取清液，水洗至无氯离子，旋蒸除去溶剂，得到白色固体即1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯。
9.如权利要求6所述的透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，其特征在于，步骤如下(1)将5.碳酸钠加入到IOOml去离子水中，搅拌下至全部溶解，得到浓度为 0. 5mol/L的溶液，备用；(2)将5.M9g氯化钙加入到IOOml去离子水中，搅拌下至全部溶解，得到浓度为0. 5mol/L的溶液，备用；(3)将0.323g 1- 丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯溶于77ml去离子水中，搅拌下至全部溶解；调节溶液的PH为7，得到浓度为10. 4mmol/L的溶液，备用；(4)室温下，将1.5ml步骤(1)中所得的碳酸钠溶液加入到步骤(3)中所得的离子液体型表面活性剂溶液中混合均勻，在搅拌的条件下加入1. 5ml步骤O)中所得的氯化钙溶液，室温搅拌1小时，室温陈化48小时；离心分离、洗涤，自然晾干得到白色粉末状碳酸钙， 即单分散透镜状球霰石型碳酸钙晶体，直径为2. 2 2. 8 μ m，厚度为1 1. 5 μ m，其中纳米球亚结构为尺寸约100 130nm的球形纳米颗粒，球霰石型碳酸钙含量为100%。
10.如权利要求6所述的透镜状球霰石型碳酸钙的制备方法，其特征在于，步骤如下(1)将5.299g碳酸钠加入到IOOml去离子水中，搅拌下至全部溶解，得到浓度为 0. 5mol/L的溶液，备用；(2)将5.M9g氯化钙加入到IOOml去离子水中，搅拌下至全部溶解，得到浓度为 0. 5mol/L的溶液，备用；(3)将0.646g 1- 丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯溶于77ml去离子水中，搅拌下至全部溶解；调节溶液的PH为7，得到浓度为20. 8mmol/L的溶液，备用；(4)室温下，将1.5ml步骤(1)中所得的碳酸钠溶液加入到步骤C3)中所得的离子液体型表面活性剂溶液中混合均勻，在搅拌的条件下加入1. 5ml步骤( 中所得的氯化钙溶液， 室温搅拌1小时，室温陈化48小时；离心分离，洗涤，自然晾干得到白色粉末状碳酸钙，即单分散透镜状球霰石型碳酸钙晶体；得到的碳酸钙透镜状颗粒直径为1. 5 2. 5 μ m，厚度为 0. 8 1. 4 μ m，其中纳米球亚结构为尺寸约50 80nm的球形纳米颗粒，球霰石型碳酸钙含量为100%。
全文摘要
本发明涉及一种透镜状高纯球霰石型碳酸钙晶体及其制备方法，该碳酸钙晶体是由尺寸为50～150nm的纳米球颗粒聚集形成的直径为0.8～3.0μm、厚度为0.5～2.5μm的透镜状结构，球霰石型碳酸钙含量为100％。制备方法是将离子液体型表面活性剂溶解到去离子水中，依次加入碳酸钠水溶液和氯化钙水溶液，搅拌混合均匀，陈化，分离，晾干，得到单分散透镜状球霰石型碳酸钙。本发明制备方法简单，反应条件温和、易于控制，球霰石型碳酸钙晶体产率高，可大规模生产。所得碳酸钙晶体单分散性好，分布均一，可用作造纸等工业填充剂。
文档编号C01F11/18GK102249281SQ201110162938
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者于丽, 任华英, 刘永辉, 杜伟, 焦静静, 王晓晴, 赵英渊 申请人:山东大学