轻质碳酸钙(PCC)是产能最大的无机人工合成产品之一,由于其无毒、生产成本低、原料来源广,被广泛用于塑料、橡胶、纸张、涂料等领域。工业化生产的碳酸钙基本上都是稳定的方解石型碳酸钙,球霰石型碳酸钙的特性及使用效果研究不多。与其它无机粉体材料一样,碳酸钙容易团聚,由于其表面的亲水性使其在膏体情况下更容易结块。因此碳酸钙一般都以粉体产品形式售卖使用。难分散、与高分子有机材料相容性差是粉体材料使用过程中的最大问题。所以开发改性纳米材料是碳酸钙行业的发展方向。常用硬脂酸通过干法或湿法进行改性虽然改善了与合成高分子材料间的相容性,但仍未能很好解决碳酸钙颗粒间的团聚导致性能下降的问题。即使是纳米碳酸钙,也因严重团聚问题使得纳米材料的卓越性难以发挥,特别是在材料中高填充量的情况下。因此,开发能够克服以上问题的纳米改性碳酸钙新产品很有意义。本论文工作主要分三部分:一、充分利用甘氨酸作为溶解剂、晶形控制剂及改性剂作用,可实现电石渣及烟道气资源化利用,通过甘氨酸-液液反应快速合成法可得到晶粒尺寸为13 nm左右的球霰石型碳酸钙;二、发现了木质素钠和苯丙乳液等高分子是很好的晶粒尺寸控制剂及纳米碳酸钙的改性剂,通过在甘氨酸-液液法体系和碳化法体系中简单加入高分子改性剂可获得晶粒尺寸10 nm以下的高分子改性球霰石型碳酸钙和20 nm左右的高分子改性方解石型碳酸钙。三、高分子原位改性纳米碳酸钙和未改性碳酸钙在聚丙烯树脂(PP)中的对比应用评价结果证明高分子原位改性的纳米碳酸钙具有很好的使用性能。本论文主要创新点如下:1.开发了可充分利用电石渣和烟道气资源,通过甘氨酸作为提钙剂、甘氨酸钠作为二氧化碳吸收剂的液液法合成更小纳米尺寸的球霰石型碳酸钙新工艺,在优化反应条件下,可生产出晶粒尺寸13 nm左右、团聚体尺寸为2.5 μm左右、球霰石型在96%左右、碳酸钙含量94%以上的球霰石型碳酸钙,且滤液可以循环使用同时晶型和晶粒尺寸基本不变。采用甘氨酸钠吸收二氧化碳,使得反应变成液液快速合成反应,克服了传统气液体系碳酸钙合成因为通气时间长,晶体容易长大的弊端。2.进一步研究发现,通过原位加入高分子改性剂的简单方法就可以有效控制碳酸钙晶体生长速度,减小碳酸钙的晶粒尺寸和团聚体尺寸,改善碳酸钙的分散性和加工性能。在甘氨酸-液液法工艺中,10%木质素钠或5%E01乳液高分子改性剂可以使得碳酸钙的晶粒尺寸分别下降34.3%或55.2%,平均团聚体尺寸下降74.2%。碳化法工艺中,加入1%E01乳液高分子改性剂,可以得到晶粒尺寸为21.8 nm、平均团聚体尺寸为58.52 nm、比表面为34.91 m2/g、密度为2.367 g/cm3的方解石型纳米碳酸钙;加入5%木质素钠高分子改性剂可以得到晶粒尺寸为21.9 nm方解石型碳酸钙,且能有效降低碳酸钙的吸油值。3.无论是球霰石型碳酸钙还是方解石型碳酸钙,经过高分子改性剂改性后在聚丙烯树脂(PP)中的应用性能都要优于未改性的碳酸钙,可大幅增加碳酸钙的填充量而满足复合材料使用性能,大大降低复合材料成本。高分子改性剂既可发挥物质结晶模板控制剂作用,还可作为纳米材料合成的原位改性剂及复合材料组份是本论文的最大发现和亮点成果。这类有机-无机杂化碳酸钙新产品在涂料、塑料、橡胶、造纸等方面将具有巨大的应用潜力。