碳酸钙晶须是一种环境友好型晶须材料,具有原料来源广泛、性能优良、无毒、价格低廉等优点,可用于塑料、涂料、橡胶、摩擦材料、造纸、医学等领域,因此碳酸钙晶须的制备及应用技术引起了人们越来越多的关注。然而在我国此种产品却仍然处于研究与开发阶段,与日本、美国相比有较大差距。本文系统研究了碳酸钙晶须的制备、表面改性技术,并将改性后的晶须应用于聚丙烯(PP)树脂中,研究晶须对复合材料的增韧、增强效果。以生石灰为原料,在普通重力场中,采用工业上制备轻质碳酸钙的碳化法,以可溶性磷酸盐为晶型控制剂,首次采用一步法合成晶型完整、长径比大、尺寸均匀的碳酸钙晶须。测定晶型控制剂添加量、初始石灰乳浓度、反应温度、二氧化碳通气速度、搅拌转速等合成条件对产品性能的影响,得到合成碳酸钙晶须的适宜条件。结果表明,将消化后的熟石灰配制成3.0wt.%的乳液,控制n(P/Ca)(可溶性磷酸盐与Ca(OH)2物质的量比值)为0.25,反应温度75℃,CO2通入速度16.2L/(h·kgCa(OH)2),搅拌转速2000rpm,可制备出结晶良好、文石相含量88.3%、晶须长度及长径比分别为231μm、15.3的碳酸钙晶须产品,所得产品结晶程度高,稳定性好。借助于X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)、热重—差示扫描量热分析(TG-DSC)等检测手段,结合晶体化学、物理化学等经典理论,分析碳酸钙晶须结晶过程中可溶性磷酸盐的控制作用机理,研究文石碳酸钙晶须的晶体生长规律。研究结果表明,在最开始的料浆中加入可溶性磷酸盐以后,磷酸盐与Ca(OH)2反应生成了热力学上最稳定的磷酸钙化合物—羟基磷灰石Ca10(P04)6(OH)2(HA),HA呈短柱状,长度约80nm,宽度约20nm。通入CO2初期,[CO32-·(OH)]与[PO43-]发生部分替代,形成B型碳酸羟基磷灰石(B-HA),以此作为结晶中心诱导文石相碳酸钙的异相成核,另有一部分HA选择吸附在碳酸钙的侧面,控制其的生长状态,Ca2+与CO32-不断叠加生长成为文石相碳酸钙晶须。采用单因素条件试验方法,选用硬脂酸、硬脂酸钠、十八酸锌、钛酸酯等表面改性剂对碳酸钙晶须进行湿法表面改性。采用活化指数、接触角作为改性效果评价指标。分别考查了改性剂种类、用量、初始料浆浓度、改性温度、改性时间、搅拌转速、烘干温度等因素对表面改性效果的影响,得到了碳酸钙晶须适宜的改性条件。优选出硬脂酸钠进行改性,当改性剂用量3%,初始料浆浓度为8%,改性温度为80℃,改性时间为20min,搅拌转速为1500rpm,烘干温度为100℃,烘干时间为3h时,改性产品的活化指数、接触角、吸油量分别达到100%、146.66°、64ml/100g,晶须的分散性和流动性也明显提高。结合SEM、XRD、TG-DSC、FTIR等检测手段,分析了硬脂酸钠对碳酸钙晶须的改性机理。结果表明,硬脂酸钠没有改变文石碳酸钙晶须的物相,当在碳酸钙晶须料浆中加入硬脂酸钠的无水乙醇溶液后,CH3(CH2)16COO-离子和Ca2+、Ca(OH)+、CaHCO3+离子结合生成难溶的(CH3(CH2)16COO)2Ca膜包覆在碳酸钙晶须的表面。在碳酸钙晶须与硬脂酸根的吸附中,存在化学吸附与物理吸附层,化学吸附层非常牢固,物理吸附层比较容易解吸。将改性后的碳酸钙晶须按照不同比例添加到PP树脂基体中,考查碳酸钙晶须对复合材料力学性能的影响。选择悬臂梁缺口冲击强度衡量复合材料韧性的改变、拉伸强度和拉伸弹性模量两个参数衡量复合材料刚性的改变、断裂伸长率衡量复合材料塑性的改变。随着晶须添加量的增加,冲击强度先增加后减小,拉伸强度略微减小,拉伸弹性模量增加,断裂伸长率呈下降趋势,当晶须添加量在一定范围内时,可以提高复合材料的韧性和刚性,使综合力学性能有所提高。本文的研究成果对于我国丰富石灰石资源的开发、碳酸钙晶须的规模化生产及应用具有一定的指导意义。