一种棒状文石型碳酸钙的制备方法与流程

本发明属于无机材料技术领域，具体是一种棒状文石型碳酸钙的制备方法。

背景技术：

文石型沉淀碳酸钙是一种亚稳态晶型材料，具有强度高、耐高温和弹性模量高等特点。棒状文石型沉淀碳酸钙，因其具有一定长径比的形貌特征而广受关注。在塑料、橡胶加工领域，棒状文石型沉淀碳酸钙可作为补强增韧填料，能够适应复杂的加工过程，改善填充体系加工性能，增强、增韧基体材料，提高填充量。棒状文石型沉淀碳酸钙作为造纸填料，可提高纸张强度和不透明度。棒状文石型沉淀碳酸钙作为纸张涂布材料，其具有较好的显色效果和颜料留着率。因此，棒状文石型沉淀碳酸钙具有显著区别于普通纺锤形沉淀碳酸钙的优异特性，应用前景广阔。

目前，制备棒状文石型碳酸钙大多是采用复分解反应法、尿素水解法、碳酸氢钙热解法和碳酸化法，其中前三种制备方法由于耗能大、生产成本高等缺陷导致难以工业化，而碳酸化法具有操作简单和原料丰富等特点，易于工业化生产。采用碳酸化法制备文石相碳酸钙，一般需要在石灰浆中加入适量的晶型控制剂、文石相晶种或呈棒/柱状晶种，诱导文石相产生，控制文石相的结晶形态。采用添加晶种的方法制备棒状文石型碳酸钙，对晶种的结晶形态或文石含量要求高，从而造成了晶种制备的困难，与此相比使用晶型控制剂的方法相对简单。

中国专利 CN 104790024A公开了了一种高长径比文石型碳酸钙晶须的制备方法，以MgCl₂为晶型控制剂，控制石灰浆中的镁／钙比，合成长径比10-26的文石相碳酸钙晶须。但该方法中石灰浆中氢氧化钙的固含量过低，生产效率不高， MgCl₂用量大且回收困难，产品后处理工艺复杂。

综上所述，目前棒状文石型碳酸钙的制备存在生产效率低、耗能大、成本高、处理剂回收困难、产品晶型和形貌难以控制等缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种棒状文石型碳酸钙的制备方法。本办法是以石灰石为原料，采用碳酸化的方法，应用晶型控制剂诱导形成文石型碳酸钙并调控其形貌。本方法不仅能够控制碳酸钙的晶型和形貌，还具有耗能低、生产效率高、成本低、工艺简单等优点。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为900~1400℃下煅烧2~7h，再将烧制得到的石灰石以1:3~8的灰水质量比进行消化，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80~100目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为7~20%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为30~60℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量的0.5~2.0％的复合晶型控制剂，再输送至碳化塔，开启搅拌，通入窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；所述复合晶型控制剂由三个组分组成，第一组分为多元羧酸和/或多元羧酸可溶性盐，第二组分为含有钙、钡和锌离子的氯化盐、硝酸盐和硫酸盐中的一种或多种组合；第三组分为聚乙二醇、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、OP-10中的一种或多种组合；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

优选的，以上所述煅烧的温度为950~1150℃。

优选的，以上消化过程中水温为25~30℃。

优选的，以上所述石灰浆的固含量为12~15%。

优选的，以上所述窑气中二氧化碳的含量为10~60%。

优选的，以上所述通入窑气的流量为4~10m³/h。

优选的，以上步骤（3）所述搅拌的速率为200~700r/min。

优选的，以上所述复合晶型控制剂中第一组分：第二组分：第三组分的质量比为1:1.5~2:0.2~0.5。

优选的，以上所述第一组分为戊二酸、草酸、琥珀酸、丙二酸、酒石酸、苹果酸、柠檬酸钠中的一种或多种组合物。

优选的，以上所述第二组分为硫酸钡、氯化锌、硝酸钙、硫酸钙、硫酸锌、氯化钙中的一种或多种组合物。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

1、本发明以丰富的矿石资源石灰石为原料，通过碳酸化反应及应用晶型控制剂诱导形成文石型碳酸钙并调控其形貌制备文石型棒状碳酸钙。本方法制得的碳酸钙晶型稳定、产品的形貌呈棒状，比表面积大，文石相含量高达85%以上；同时具有强度高、耐高温和弹性模量高等特点，为优异的补强增韧填料。

2、本发明所用的复合晶型控制剂，不仅可提高文石相的含量及有效调控沉淀碳酸钙形貌，还能提高碳酸钙的力学性能及增强其作为填料与其他组分的相容性。

3、本方法还具有耗能低、生产效率高、成本低、工艺简单等优点，容易实现工业化生产。

附图说明

图1(a)为实施例1产物的X射线衍射图谱；

图1(b)为实施例2产物的X射线衍射图谱；

图1(c)为实施例3产物的X射线衍射图谱；

图1(d)为实施例4产物的X射线衍射图谱；

图1(e)为实施例5产物的X射线衍射图谱；

图2为实施例1产物的扫描电镜（SEM）照片；

图3为实施例2产物的扫面电镜（SEM）照片；

图4为实施例3产物的扫描电镜（SEM）照片；

图5为实施例4产物的扫描电镜（SEM）照片；

图6为实施例5产物的扫描电镜（SEM）照片。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进一步说明，但不限于本发明的保护范围。

以下实施例制得的碳酸钙产品进行X射线衍射（XRD)表征，按式1计算文石相含量。

……………………………………式1

式中，y为产物中文石相碳酸钙的含量，Ia为产物XRD图谱中文石相最强衍射特征峰的积分强度，Ic为产物XRD图谱中方解石相最强衍射特征峰的积分强度。

实施例1

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为900℃下煅烧6h，再将烧制得到的石灰石以1:4的灰水质量比进行消化，控制水温为28℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为10%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为55~60℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.3%戊二酸、0.5%硫酸钡和0.1%聚乙二醇作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为400r/min，通入二氧二碳浓度为20%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为4m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例得到的产品经过XRD图谱检测，检测结果如图1（a),再根据式1计算，所得产品文石相含量为87.49%。经过扫描电镜仪检测，扫描电镜图如图1所示，从图中可以看出产品的形貌呈棒状，粒径分布均匀。

实施例2

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1250℃下煅烧3h，再将烧制得到的石灰石以1:6.5的灰水质量比进行消化，控制水温为28℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过100目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为12%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为30~35℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.4%草酸、0.6%氯化锌和0.2%十二烷基硫酸钠作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为350r/min，通入二氧二碳浓度为25%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为7m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例得到的产品经过XRD图谱检测，检测结果如图1（b),再根据式1计算，所得产品文石相含量为87.95%。经过扫描电镜仪检测，扫描电镜图如图2所示，从图中可以看出产品的形貌呈棒状，粒径分布均匀。

实施例3

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1200℃下煅烧4h，再将烧制得到的石灰石以1:3的灰水质量比进行消化，控制水温为30℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为7%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为30~35℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.5%琥珀酸、0.8%硝酸钙和0.1%十二烷基硫酸钠作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为300r/min，通入二氧二碳浓度为15%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为5m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例得到的产品经过XRD图谱检测，检测结果如图1（c),再根据式1计算，所得产品文石相含量为89.63%。经过扫描电镜仪检测，扫描电镜图如图3所示，从图中可以看出产品的形貌呈棒状，粒径分布均匀。

实施例4

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为900℃下煅烧7h，再将烧制得到的石灰石以1:5的灰水质量比进行消化，控制水温为25℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过100目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为15%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为50~55℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.2%丙二酸、0.3%的琥珀酸、1.0%硫酸钙和0.1%聚乙二醇作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为500r/min，通入二氧二碳浓度为34%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为5m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例得到的产品经过XRD图谱检测，检测结果如图1（d),再根据式1计算，所得产品文石相含量为86.68%。经过扫描电镜仪检测，扫描电镜图如图4所示，从图中可以看出产品的形貌呈棒状，粒径分布均匀。

实施例5

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1200℃下煅烧4h，再将烧制得到的石灰石以1:7的灰水质量比进行消化，控制水温为28℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为20%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.25%酒石酸、0.3%硫酸锌、1%氯化锌和0.2%OP-10作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为200r/min，通入二氧二碳浓度为12%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为6m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例得到的产品经过XRD图谱检测，检测结果如图1（e),再根据式1计算，所得产品文石相含量为88.35%。经过扫描电镜仪检测，扫描电镜图如图5所示，从图中可以看出产品的形貌呈棒状，粒径分布均匀。

实施例6

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1000℃下煅烧5h，再将烧制得到的石灰石以1:6的灰水质量比进行消化，控制水温为25℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过100目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为12%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.5%苹果酸、1%硫酸锌和0.25%十二烷基苯磺酸钠作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为600r/min，通入二氧二碳浓度为10%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为4m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例所得产品文石相含量为88.95%。

实施例7

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为950℃下煅烧6h，再将烧制得到的石灰石以1:5的灰水质量比进行消化，控制水温为25℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为15%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.6%柠檬酸钠、1.2%硝酸钙和0.2%十二烷基苯磺酸钠作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为300r/min，通入二氧二碳浓度为10%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为6m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例所得产品文石相含量为86.25%。

实施例8

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1300℃下煅烧3h，再将烧制得到的石灰石以1:6的灰水质量比进行消化，控制水温为30℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为10%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.6%戊二酸、1.0%氯化钙和0.1%和聚乙二醇和0.2%十二烷基硫酸钠作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为700r/min，通入二氧二碳浓度为35%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为5m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例所得产品文石相含量为85.17%。

实施例9

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1000℃下煅烧4.5h，再将烧制得到的石灰石以1:8的灰水质量比进行消化，控制水温为25℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过100目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为18%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.2%琥珀酸、0.3%硫酸钡和0.1%OP-10作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为250r/min，通入二氧二碳浓度为30%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为5m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例所得产品文石相含量为85.03%。

实施例10

一种棒状文石型碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石灰石破碎，在温度为1400℃下煅烧2.0h，再将烧制得到的石灰石以1:7.5的灰水质量比进行消化，控制水温为30℃，得到石灰浆；

（2）将步骤（1）得到的石灰浆过80目筛，过滤除渣，加水调节石灰浆的固含量为20%，得精制石灰浆，备用；

（3）控制精制石灰浆的温度为35~40℃，加入为石灰浆中氢氧化钙质量为0.2%草酸、0.3%硫酸钡和0.06%聚乙二醇作为晶型控制剂，再输送至碳化塔内，调节搅拌速率为300r/min，通入二氧二碳浓度为15%的窑气进行碳酸化反应至pH为8.0时，控制窑气的流量为4m³/h，停止通气，终止碳酸化反应，得到沉淀碳酸钙悬浮液；

（4）将步骤（3）得到的沉淀碳酸钙悬浮液按照常规方法经脱水、干燥后，即得棒状文石型碳酸钙。

本实施例所得产品文石相含量为90.16%。