（中国粉体技术网/班建伟）随着我国国民经济的快速发展，无机非金属矿物粉体在塑料、涂料、造纸等行业的需求量呈逐年递增的趋势。
伴随着数量的不断增加，不仅对矿物粉体的质量提出了更高的要求，同时也希望多品种化与功能化。
本文中主要介绍塑料、涂料、造纸行业常用的几种微纳米复合矿物粉体的制备及应用。研究表明： 微纳米复合粉体既具有微米颗粒易分散又具有纳米颗粒比表面积大、活性高的特点。
1 试验
制备微纳米复合粉体是在一定浓度的氢氧化钙溶液中进行的，将一定量的矿物粉体及晶形抑制剂加人到反应物溶液中，控制搅拌转速至固液均匀混合。然后通人反应气体， 对反应物质进行碳化。反应过程中继续匀速搅拌使气-固-液三相充分接触，保证纳米生成物在矿物颗粒表面形核、生长，整个反应过程持续到p H = 7 时结束。然后过滤、烘干、分散， 即可得到表面具有纳米化结构的复合矿物粉体。
试验采用的原料包括河北陆德化工有限公司提供的氧化钙与超细白云石，浙江长兴金石化工公司提供的超细方解石。二氧化碳气体购于清华大学化学试剂库。
扫描电子显微镜用于观察颗粒微观形貌。PVC复合材料委托清华大学工程力学系电测实验室完成性能检测：复合粉体在涂料中的应用委托昆山南宝( 中国) 树脂产品质量监督检测中心进行性能试验；复合粉体在纸张中的应用委托北京纸浆造纸工业研究院进行性能试验。
2 复合粉体性能
2.1 表面形貌
复合矿物粉体的SEM显微图像如图1 所示。由图可知, 表面纳米颗粒粒径均匀，粒度在100nm左右，包覆率10 %, 比表面积提高2 倍以上。纳米颗粒层改变了复合颗粒表面形貌， 表面粗糙度明显增加，原来平整的解理面不复存在，复合颗粒棱角也因为纳米颗粒包覆而得到钝化。复合粉体在塑料、涂料、造纸中应用时，与基体界面有良好的相容性。
表面粗糙度增加， 使更多的聚合物分子长链与表面纳米颗粒结合，钝化的棱角使复合材料内部应力集中点出现的几率减少，复合材料性能得到提高。
 2.2 晶形抑制剂对复合颗粒表面形貌的影响
利用白云石矿物粉体作为被包覆物， 在氢氧化钙溶液中添加不同的晶形抑制剂，通过工艺与操作参数优化，复合粉体的SEM图像见复合颗粒的表面形貌随添加不同的晶形抑制剂而表现出极大的差异。利用外加剂1可以得到表面具有球状或立方状的纳米碳酸钙颗粒，粒径在100nm左右；利用外加剂2可以得到表面具有纺锤形结构的纳米碳酸钙颗粒；利用外加剂3 可以得到表面具有针状的纳米碳酸钙颗粒， 纳米颗粒的长径比最高可达7 : 1。
3 复合粉体的应用
3.1 复合粉体在涂料中的应用
作者委托昆山南宝( 中国) 树脂产品质量监督检测中心利用白云石样品制备室内外建筑涂料， 通过涂料性能，对比分析包覆前后矿物粉体的性能差异。本试验与相同粒度级别的缎烧高岭土进行对比。在涂料配方中分别添加15 % 的白云石、复合白云石与高岭土( 由昆山南宝( 中国) 树脂产品质量监督检测中心自己选定) 替代等量的钦白粉， 基本配方包括分散剂、钛白粉、矿物粉体、树脂、成膜剂、杀菌剂、消泡剂以及增稠剂等， 试验结果如表1 所示。从表可知，利用矿物粉体配制的建筑涂料，其抗裂性、耐人工气候老化性、耐水性、耐碱性、耐洗刷性与耐沾污性(5 次) 均不符合GB / 79755一1995 标准的技术要求，白度与对比率均较低， 如原料白度为93 %，而涂膜的白度只有86 %。
利用复合矿物粉体配制的建筑涂料，所有指标均与燃烧高岭土相近并符合GB / 79755一1995标准的技术要求， 白度与对比率高， 容易施工， 在空气中自然暴露两个半月后不变色； 涂膜的白度92 % 大于原料的白度87 %。
本试验结果说明，复合矿物粉体表面的纳米结构层更容易与树脂形成牢固结合的界面，同时表面的纳米结构改善了矿物粉体的折光性能。
3.2 复合粉体在PVC中的应用
作者所在的研究组曾在沈阳正益装饰材料有限公司利用碳酸钙粉体作为填料，在pvc中填充制备扣板，然后再分别按WDW3 020 电子万能试验机、KAP-Z 电子万能试验机的要求将扣板制备成小样条进行检测，产品性能如表2 所示。
从表2 可以看出：除填充量为1.8 时最大力下的挠度(mm)为异常点以外，以复合矿物为原料制备的PVC扣板的所有指标均比包覆前原料制备扣板的性能优越。当碳酸钙与PVC的质量比为1.8 时，复合粉体扣板的变形量是碳酸钙基扣板的2.6倍。当填充量为2.0 时变形量从1.28mm 提高到5.95mm增加了3.6 倍； 由于复合颗粒表面粗糙，表面包覆的纳米碳酸钙与PVC 高分子能够产生更多的结合点，从而提高了复合材料的力学性能。
3.3 复合粉体在造纸中的应用
在造纸中进行填充应用性能对比的样品有重质碳酸钙粉体( GCC )、具有表面纳米结构的复合碳酸钙粉体以及锻烧高岭土粉体。委托北京纸浆造纸工业研究院利用进口漂白化学针叶木浆或进口漂白化学阔叶木浆，探讨三种填料对纸张抄造生产操作性和用于低克重纸张的不透明度、强度、填料保留率及其它物理特性等的影响。3 种填料的常规物理化学分析结果如表3 所示。
磨耗度由未包覆的45.3 mg 下降至24.7 mg, 远远低于锻烧高岭土的186.6 grn，降低了对造纸网的磨损，意味着可用于更高车速抄造纸机。吸油值由29.6 m L / 100g 提升至33.7 m L / 100g ，虽然未达到锻烧高岭土53.8mL / 100g 的水平，但表明复合GCC表面粗糙度的提高与独特的表面形貌特性增加了颗粒的比表面积，提升了单颗粒的亲油性。复合重钙白度降低的原因是因为包覆试验所用的反应釜为铸铁结构， 试验前没有进行彻底的洗涤，少量脱落的锈斑降低了产品的白度。纸张白度不仅没有影响，还有一定程度的提高，这是因为复合碳酸钙表面的纳米结构具有更好的光反射能力。
手抄片抄纸应用实验条件：进口自动抄纸器；填料加填量25 %。施胶剂AKD1.6% / 湿重计；助留剂再P470.2‰/干重计；增强剂0.6% /干重计；定着剂M80.27 ‰/干重计；设计的抄纸定量40 g/ m2。手抄片纸张的物理特性分析结果如表4 所示。
 通过表4 的数据对比可知，包覆GCC制备纸样的性能明显优于GCC制备纸样的性能并与锻烧高岭土制备纸样的性能基本接近。
1)不透明度由 66.55% 提高到 67.6 % ，达到预想的目的，更有利于印刷。
2) 含复合碳酸钙的纸张拉力与含GCC的纸张相当，高于缎烧高岭土； 含复合碳酸钙的纸张抗张指数略低于含GCC 的纸张， 但仍明显高于缎烧高岭土。
总体来看，复合GCC 与GCC的成纸强度没有明显下降，且明显优于缎烧高岭土。
3) 吸水性由27.27 g/ m2低至24.44 g/ m2， 明显降低了纸张表面吸水值， 提高了包覆GCC 纸张表面的疏水性。
4) 纸张的油墨吸收性由68.9% 提高到69.4%，更接近缎烧高岭土70.6 % 的水平，也同样归因于复合GCC独特的表面形貌特性。
5) 填料保留率由38.04 % 增加到45.48 %，提高了19.56 %，填料保留率的明显提升也同样归因于复合GCC 表面粗糙度的增大与比表面积的提高，这是造纸业十分感兴趣的。
4 结论
1) 成功实现碳酸盐粉体表面纳米化修饰，经修饰后矿物粉体具有纳米结构表面，表面粗糙度大大增加，棱角得到钝化。
2) 与白云石直接做涂料相比，复合粉体制备的涂料在抗裂性、耐人工气候老化性、耐水性、耐碱性、耐洗刷性、耐沾污性以及白度与对比率方面均表现出优异的性能， 是一种潜在的有发展前景的新型填料。
3) 与碳酸钙直接作为PVC填料相比， 除填充量为1.8 时最大力下的挠度为异常点以外， 以复合矿物粉体为原料制备的PVC扣板的所有指标均比以碳酸钙为原料制备扣板的性能优越。当碳酸钙与PVC的质量比为2.0时变形量从1.28 mm提高到5.95mm，增加了3.6 倍；由于复合颗粒表面粗糙, 表面包覆的纳米碳酸钙与PVC 高分子能够产生更多的结合点，从而提高了复合材料的力学性能。
4) 与碳酸钙相比，复合粉体能降低磨耗度，减少对造纸网的损失，意味着可用于更高车速抄造纸机。
在造纸中的初步试验表明，复合矿物填料能提高纸张中的填料保留率，提高纸张重量，减少在白水中的损失以及对周围水环境的污染。
该技术已经实现了成果转化， 成功地在20 m³的碳化反应器中进行了工业生产，每批产量达到4t。相信随着应用试验的开展，必将为复合矿物填料的应用开辟新的市场和领域， 其应用前景非常广阔。
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