实验一 直接沉淀法制备改性纳米碳酸钙.doc

实验一直接沉淀法制备改性纳米碳酸钙
实验目的
掌握直接沉淀法制备纳米碳酸钙
了解碳酸钙改性效果分析方法。
二、实验原理
CaCO3是一种重要的无机化工产品，因其原料易得，价格合理，加工性能好，成为复合材料工业中用量最大的填充剂，被广泛用于各种复合材料制品中，并且以更大填充量为目标，以便获得性价比更高的材料，即在达到要求的性能基础上最大限度的降低成本。但是普通CaCO3具有亲水疏油的表面特性，其分散性、补强性较差．大量填充会造成塑料物性恶化。为克服自身的缺点，对普通碳酸钙进行活化处理，改性碳酸钙的表面性质，使其具有一定的亲油性，在有机介质中易分散，活性高，以改善不能大量填充的缺点。活性碳酸钙为基料，采用多功能表面活性剂和复合型高效加工助剂，对无机粉体表面进行改性活化处理而成。经改性处理后的碳酸钙粉体，表面形成一种特殊的包层结构，能显著改善在聚烯烃等高聚物基体中的分散性和亲和性，并且能与高聚物基体间产生界面作用，从而提高制品的抗冲击强度，是一种性能优良的增量型填充助剂。
由于EDTA是一种常用的络合剂，它的分子中有两个氨基氮和4个羧基氧，能与金属离子形成配位键。当EDTA加入到Ca(NO3)2溶液中，Ca2+迅速与EDTA络合形成Ca-EDTA配合物。Ca-EDTA遇到CO32−后，再生成CaCO3沉淀。反应式如下：
Ca2++EDTA↔Ca2+-EDTA(1)
Ca2+-EDTA+CO32−↔CaCO3+EDTA(2)
由于Ca-EDTA配合物有一定的稳定性，在生成CaCO3沉淀过程中，相当于控制了Ca2+的释放速度，使生成的晶核有时间缓慢长大，控制颗粒的迅速长大。推测硬脂酸与CaCO3纳米粒子结合机制有两个：一是硬脂酸对Ca2+也有一定的配位能力，反应式如下：
Ca2++xRCOONa↔[Ca(RCOONa)x]2+(3)
EDTA和硬脂酸共同控制Ca2+的释放速度。二是随着反应进行CaCO3纳米粒子不断生成，由于纳米粒子表面活性较高对硬脂酸有较强的吸附作用，以此降低其表面能。另外，CaCO3粒子表面存在大量-OH，硬脂酸的磺酸根和CaCO3纳米粒子表面也存在化学吸附的可能性，反应式如下：
●-OH+RCOOH↔●-COOR(4)
基于这两个结合机制，硬脂酸会吸附在纳米CaCO3颗粒的表面，即化学反应实现包覆。进行化学反应后的CaCO3纳米粒子失去活性，增强了硬脂酸在纳米粒子之间的空间位阻效应，使得硬脂酸的表面包覆可有效阻止CaCO3纳米粒子的进一步长大和团聚。在直接沉淀法中，采用直接往Ca2+溶液中滴加CO32−的方式进行反应，瞬间溶液局部CO32−的浓度极大，当Ca2+与CO32−相遇，沉淀过程非常迅速，表面活性剂还未来得及吸附在沉淀表面，晶体迅速长大。致使最终颗粒的粒径不均一。
三、实验仪器与药品
仪器：电子秤，烧杯，水浴锅，搅拌器，三颈烧瓶，温度计等
药品：无水氯化钙，无水碳酸钠，EDTA，硬脂酸，氢氧化钠
四、实验步骤
A．探索EDTA对碳酸钙沉淀粒径生长的影响
用电子称称取11.10g无水氯化钙放入三颈瓶中，用50ml去离子水溶解备用备用，再分别称取14.62gEDTA和8.00g氢氧化钠备用，最后称取10.06g无水碳酸钠于烧杯中，并用50ml去离子水溶解备用。
取50ml去离子水于烧杯中，并置于磁性搅拌环境，此时逐勺加入之前称取好的氢氧化钠，然后再逐勺加入称取好的EDTA,使两种药品充分混合反应10min。
在之前溶有氯化钙的三颈瓶加入干净烘干的磁子，至于磁性搅拌环境，并水浴加热60℃，然后同滴管吸取已经反应好的EDTA-氢氧化钠溶液，控制滴速在每秒两滴左右。
滴加完后，继续在60.0℃水浴环境下搅拌反应20min，然后再用滴管吸取备用的碳酸钠溶液，滴加到三颈瓶中，控制滴速在两秒三滴适宜，观察现象，滴加完毕后继续反应20min.
将上述制得的碳酸钙（a）抽虑烘干，抽滤过程中观察抽虑时抽虑漏斗上是否积水，抽滤瓶中的抽滤水是否浑浊。
重复A步骤，只将EDTA和氢氧化钠用量分别改变为7.31g和4.00g，制得碳酸钙（b）。
B．用EDTA和硬脂酸作为复合改性剂制备纳米碳酸钙
用电子称称取11.10g无水氯化钙放入三颈瓶中，用50ml去离子水溶解备用备用，再分别称取7.31gEDTA和4.00g氢氧化钠备用，接着称取10.06g无水碳酸钠于烧杯中，并用50ml去离子水溶解备用，最后分别称取0.23g硬脂酸和0.01g氢氧化钠备用(硬脂酸质量是应生成的碳酸钙质量的2%左右)。
取50ml去离子水于烧杯中，并置于磁性搅拌环境，此时逐勺加入之前称取好的氢氧化钠，然后再逐勺加入称取好的EDTA,使两种药品充分混合反应10min。
在之前溶有氯化钙的三颈瓶加入干净烘干的磁子，至于磁性搅拌环