碳酸鈣是一種重要的無機化工原料，被廣泛應用于涂料、塑料、造紙等很多行業，涉及到人類生活和生產的方方面面。工業生產中一般主要按照生產的方法、粒徑的大小對碳酸鈣進行分類。按照生產方法不同可以將碳酸鈣分為重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣。重質碳酸鈣是由天然大理石或石灰石經過機械粉碎、研磨而生產出來的。輕質碳酸鈣是用化學方法生產的，其顆粒細膩而均勻，顏色為純白色，重量輕。按照粒徑的大小不同可以將碳酸鈣分為如下五類: 微粒碳酸鈣、微粉碳酸鈣、微細碳酸鈣、超細碳酸鈣、超微細碳酸鈣。通常把粒徑大小在1~100 m 之間的碳酸鈣稱為納米碳鈣。
目前，對碳酸鈣研究的關鍵問題是如何生產分散性高、形貌均一且粒度較小的輕質碳酸鈣。輕質碳酸鈣是20 世紀80 年代起開始大量研制的一種新型材料，由于輕質碳酸鈣粒子的粒徑較小，使其表面電子結構和晶體結構發生變化從而產生了大顆粒碳酸鈣所不具備的一些特殊性能。例如，能夠提高橡膠等產品的韌性和拉伸強度、與樹脂的相容性好等等。但小顆粒的碳酸鈣在生產過程中容易產生團聚現象，碳酸鈣粒子的團聚使其性能受到影響。
碳酸鈣制備過程受溫度、酸度以及所選用表面改性劑等諸多因素的影響，使得制備出的輕質碳酸鈣具有不同的形貌，常見的有立方狀、球形、針狀、鏈狀、紡錘狀等。不同形態的輕質碳酸鈣具有不同的特性，應用的領域也各不相同。例如，在合成橡膠中一般使用的是針狀碳酸鈣，針狀碳酸鈣的延伸性，抗張強度、補強性等比普通碳酸鈣有很大提高。在塑料型材中加入立方形的輕質碳酸鈣可以提高產品尺寸穩定性和剛度，降低成本。造紙行業中使用的是紡錘形輕質碳酸鈣，它能顯著改善紙張質量，且對紙張有較好的補強作用，同時還增加了紙張的抗磨性能。
目前生產和科學研究中生產碳酸鈣的方法較多，有碳化法、復分解法、微乳法等等。本實驗應用復分解法選用氯化鈣和碳酸銨制備輕質碳酸鈣，實驗過程中分別選用了陰離子、陽離子、非離子表面活性劑中的四種試劑，探究了不同表面活性劑、不同溫度等條件對碳酸鈣的分散性及形貌的影響。將制備出的碳酸鈣進行掃描電鏡、XRD、紅外光譜測定。
1 實驗部分
1.1 試劑與儀器
氯化鈣；碳酸銨；鹽酸；十六烷基三甲基溴化銨；四丁基溴化銨；聚乙二醇600；十二烷基磺酸鈉。所有試劑均為分析純。
恒溫磁力攪拌器；酸度計；pH 電極；JMS－6360LV 型掃描電子顯微鏡(SEM) 。
1.2 實驗步驟
實驗過程中選用0.4 mol·L-1氯化鈣溶液作為反應液，根據所稱取質量的氯化鈣計算實際配制溶 液濃度。室溫下，分別按不同的摩爾比( 表面活性劑與氯化鈣的摩爾比分別為0.1∶1、0.01∶1 和
0. 001∶1)將表面活性劑與200 mL 氯化鈣混合攪拌，控制不同的攪拌時間及不同溫度條件，再加入相應濃度計算量( 按反應方程式計算)的碳酸銨溶液充分進行攪拌使其與氯化鈣進行反應。對制備出的產品進行減壓抽濾，于105℃烘干3h。
2 實驗結果與討論
2.1 不同表面活性劑對碳酸鈣形貌及防團聚作用的分析
在溫度為20℃，氯化鈣濃度為0.4 mol·L-1 ，碳酸銨溶液滴加速度為20 mL·min-1 ，攪拌速度為高速的條件下考察了不同表面活性劑及其不同加入比例( 表面活性劑與氯化鈣的摩爾比分別為0.1∶1，0.01∶1 和0.001∶1) 情況下對碳酸鈣分散性及形貌的影響。
取適量制備出的碳酸鈣粉末進行透射電鏡分析，篩選出四種分散劑中分散性最好的SEM照片，結果見圖1。由圖1可見，以聚乙二醇600 為表面活性劑制得的為球形碳酸鈣產品，并且分散效果最好，顆粒分布均勻。這是因為聚乙二醇是一種極性低聚物，它能夠定向吸附于碳酸鈣顆粒的表面，使碳酸鈣表面具有電荷特性并形成吸附層，從而提高碳酸鈣的分散性。以十二烷基苯磺酸鈉制得的產品為球形，但粒子表面不光滑，每個球狀碳酸鈣粒子表面均由無數立方體堆砌而成，分散較均勻。陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和四丁基溴化銨制得的產品分散性較差存在不同程度的團聚，制得的產品形貌不規則。
 
圖1 不同表面活性劑制得的產品SEM圖
分散效果較好的聚乙二醇600，在加入不同比例的情況下所制得的產品電鏡掃描結果如圖2 所示，由圖2可知，當聚乙二醇與氯化鈣摩爾比為0. 01∶1 時制得的碳酸鈣產品分散相好且形貌均一。摩爾比為0. 001∶1 和0.1∶1 制得的產品為球形碳酸鈣和方解石型碳酸鈣混合體。這是因為當聚乙二醇600 添加量較小時，在反應初期不能很好的吸附在碳酸鈣的表面，因此部分顆粒會長大并形成不規則的形狀。隨著添加量增加聚乙二醇對碳酸鈣的分散作用增強，但是晶型控制劑的量存在一個極限值，如果添加量過大，溶液濃度過高晶體的形貌就會變得趨于不規則。
2.2 Ca2+濃度對碳酸鈣分散性及形貌的影響
當溫度為20 ℃，氯化鈣濃度為0.4 mol·L-1 ，碳酸銨溶液滴加速度為20 mL·min-1 ，攪拌速度為高速的條件，聚乙二醇與氯化鈣摩爾比為0. 01∶1 的情況下，考察了Ca2+ 濃度對碳酸鈣分散性及形貌的影響。當鈣離子濃度由0.1 mol·L-1 增加至0.4 mol·L-1 ，碳酸鈣晶體分散性逐漸增強，形貌趨于規則。
而氯化鈣濃度過高時碳酸鈣團聚明顯。因此本試驗確定氯化鈣濃度為0.4 mol·L-1。
2.3 不同反應溫度對碳酸鈣分散性及形貌的影響
當氯化鈣濃度為0.4 mol·L-1，碳酸銨溶液滴加速度為20 mL·min-1，攪拌速度為高速，聚乙二醇與氯化鈣摩爾比為0.01∶1 的條件下，考察了反應溫度分別為10 ℃，20 ℃，50 ℃ 條件下對碳酸鈣分散性及形貌的影響。電鏡掃描結果見圖3。實驗結果表明20 ℃條件下制得的碳酸鈣分散效果最理想。這是因為反應溫度升高使得碳酸鈣晶體的成核速率加快，晶體快速生長，極易聚集形成大顆粒晶體。溫度過低不利于形成形貌均一的碳酸鈣產品。因此，本實驗確定最佳反應溫度為20 ℃。
3 結論
(1) 聚乙二醇600 對碳酸鈣有很好的防團聚作用，制得的產品為形貌均一的球形碳酸鈣。
(2) 以聚乙二醇600 為表面活性劑的最佳反應溫度為20℃，氯化鈣的最佳濃度為0.4 mol·L-1。
(3) 通過正交試驗選出以聚乙二醇600 為表面活性劑且聚乙二醇600 與氯化鈣溶液的摩爾比為
0.01：1條件下制得的碳酸鈣無混合型產品，形貌均一。
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