100kta针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺初步设计.docx

目 录前言5第一章 设计背景61.1硅灰石概述61.1.1硅灰石的性质61.1.2硅灰石的应用61.2纳米碳酸钙概述71.3表面改性剂91.3.1偶联剂91.3.2偶联剂的分类91.3.3硬脂酸91.3.4硬脂酸钠9第二章 硅灰石纳米包覆与改性实验研究102.1主要药品及设备102.1.1主要药品102.1.2主要设备102.2实验原理102.3实验方法102.4实验前准备102.5实验过程112.5.1消化反应112.5.2碳化包覆-复合改性112.5.3过滤112.5.4干燥和产品处理11第三章 针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺133.1针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺设计流程图133.2针状硅灰石晶体纳米包覆与改性流程工艺流程图143.3针状硅灰石晶体纳米包覆与改性流程工艺平面布置图153.4.1碳化釜的主要组成部分173.4.2使用时的注意事项17第四章 工艺计算184.1主要技术指标184.2物料衡算184.2.1消化反应过程的物料衡算184.2.2湿法改性过程的物料衡算194.3物料衡算表19第五章 设计总结20参考文献22前言硅灰石是一种非常重要的无机化工产品，一种偏硅酸盐矿物，其化学式为CaSiO3,长径比为5:1，经常在橡胶、塑料、涂料等行业中应用。在这些行业中，硅灰石赋予了产品强度的加强、热稳定性、耐磨性和收缩变形性，但是，硅灰石韧性较差，抗冲击能力低，很大程度上限制了其应用范围。近年来，随着纳米技术的研究越来越深，碳酸钙的制备主要朝着三个方向进行发展，分别是超细化方向、结构复杂化方向、表面改性技术方向，每个方向的研究都得到了巨大的成功，大大的提高了纳米碳酸钙的使用。纳米碳酸钙在塑料和橡胶等行业，可以当作填料添加进去，这样提高了对应产品的强度，增加产品的抗龟裂、抗弯曲、抗张力。但是随着纳米碳酸钙使用量的日渐增大，在有机介质中所运用的缺点则呈现的更加明显，超过比例填充甚至会使成品无法使用，这就必须运用改性技术对纳米碳酸钙进行表面的改性，让其提高分散性，增大表面积，表面表现亲油性，使得纳米碳酸钙与高聚物之间的亲和力变大。这样则有力解决了颗粒自发地互相靠近而形成的团聚问题，还能提高使用纳米包覆与改性后的硅灰石所制作的材料的物理性能。利用纳米及表面改性技术对硅灰石进行纳米包覆与改性，在硅灰石表面紧密地包覆一层纳米碳酸钙，就像纳米碳酸钙长在硅灰石上一样，总体仍为纳米级，并且可提高其白度。当两者以一定的比例进行包覆后，有效提高了硅灰石的韧性，增大了硅灰石的表面积，克服了硅灰石本身的缺点，使纳米包覆和改性后的硅灰石所制作出来的新材料同时拥有两种材料的复合功能，扩大了其在橡胶和塑料等行业的应用范围及使用量。本设计以硅灰石和氧化钙为原料，与二氧化碳、氢氧化钠及硬脂酸反应，经过消化、碳化包覆、湿法改性、过滤、干燥、包装等过程得到高附加值的纳米碳酸钙包覆及改性后的硅灰石，获得的产品纯度高，粒度小，品质好。第一章 设计背景1.1硅灰石概述是一种典型的变质矿物，主要产于酸性岩与石灰岩的接触带，与符山石、石榴石共生。硅灰石属于一种链状偏硅酸盐，又是一种呈纤维状、针状。由于其特殊的晶体形态结晶结构决定了其性质。1.1.1硅灰石的性质硅灰石是一种晶体状的矿物，集合体呈现放射状或纤维状。具有玻璃光泽，解理面呈现珍珠光泽，其颜色为白色，有时会显现浅灰、浅红色彩。吸油性和电导率低，绝缘性较好，可在浓盐酸中完全溶解。其特点无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定良好，有玻璃和珍珠光泽，低吸水率和吸油值，力学性能及电性能优良以及具有一定补强作用。硅灰石产品，纤维长而易分离，含铁量低，白度高。该产品主要用作高聚物基复合材料的增强填料1.1.2硅灰石的应用硅灰石产品可分为高长径比硅灰石（10:1）和磨细硅灰石两大类。其性能不同应用也不大相同。高长径比硅灰石主要利用其针状物理机械性能，广泛用于塑料、橡胶、石棉代用品、油漆涂料等领域，可增加制品硬度、抗弯强度、抗冲击性，改善材料的电学特性，提高热稳定性和尺寸稳定性。磨细硅灰石粉主要用于陶瓷和冶金工业，硅灰石中的SiO2、CaO成分提供了低的膨胀率和良好的抗热震性。（1) 硅灰石在涂料中的应用硅灰石作油漆涂料的填料，可改善产品的物化性能、持久性和耐候性，减少油漆的断裂、老化等问题。同时高纯度的硅灰石还可替代昂贵的钛白粉作为白色颜料广泛应用于涂料中，减少涂料的吸油量并保持碱性，增强抗腐蚀能力。目前，硅灰石在涂料中的应用较少，涂料用硅灰石仅占世界硅灰石消费总量的25%。（2）在冶金行业中应用硅灰石具有低温助熔特性，化学成份稳定，纯度高、碱度趋于中性。这一优良特性给冶金炼钢的保护浇铸料提供了理想的原料，特别是硅灰石中含Al2O3甚微，因此制成的冶金保护渣吸附钢水中有害夹杂Al2O3的能力极强，因此广泛用于冶金工业。目前，世界上大概有1215%的硅灰石应用于冶金工业。从普碳钢、锰钢到不锈钢连铸，渣型从小方坯、大方坯、大板坯到炉外精炼等，都广泛应用以硅灰石为基料的保护渣，取代了价格昂贵的进口保护渣，对冶金炼钢行业的发展起到了促进作用。（3）硅灰石在陶瓷的应用在制作陶瓷时中加入过量的硅灰石粉，能将烧成时的温度大幅度降低，收缩烧成的时间，可以在低温下实现快速一次烧成。制作中节约大量的燃料，显著的降低了产品的成本，产品的裂痕和翘曲减少了，增加了釉面的光泽，提高了胚体强度,从而提升了产品的合格率。（5）硅灰石在造纸的应用造纸级硅灰石粉经过特殊加工工艺后仍能保持其独特的针状结构，使添加了硅灰灰石粉的白板纸，提高其白度，不透明度(面层遮盖度)，平整度，平滑度，适应性，减少横幅定量差和纸板湿变形,提高印刷适应性，并且可大幅度降低其他各种原材料的使用量，从总体上降低纸制品成本。由于加工方法的改进，超细粒物质的获得，潜在的新用途正陆续被发现，使硅灰石的用途日渐广泛。有专家预测，陶瓷工业用硅灰石的需求量将以5左右的速度逐年递增。1.2纳米碳酸钙概述纳米碳酸钙是以石灰石为原料，经煅烧、消化、碳化、分离、干燥并经过活性剂进行表面改性剂制取粒度达到纳米级别的碳酸钙产品，简称NCC。1.2.1纳米碳酸钙的特点与应用纳米碳酸钙有着着色方便、性质稳定、制造成本低、粒径和粒子形状可以控制等特点。目前已经广泛应用在涂料、造纸、塑料、油墨等其他许多领域（1）在涂料方面的应用重质碳酸钙、轻质碳酸钙、纳米碳酸钙在涂料中均有广泛应用，相比于重钙或普通轻钙，纳米碳酸钙在涂料中除了有较好的补强效果，还可提高涂料的遮盖力、光泽度，透明性、快干性、及稳定性。在某些行业中，如汽车涂料、建筑涂料等，纳米碳酸钙可部分或完全替代售价高昂的钛白粉，以降低企业成本。（2）在造纸方面的应用作为造纸填料，纳米碳酸钙粒度小且均匀，对设备磨损小，使纸制品细腻均匀，同时粒径小，吸油值和比表面积大，有利于颜料的牢固；白度好、亮度高、蔽光性好，可提高纸张的白度和蔽光性；可节省纸浆使用量，降低成本，同时有利于环境保护。在卷烟纸中，纳米碳酸钙的添加量约45%50%，是因为纳米碳酸钙具有折光率高，不透明性较好，使卷烟纸内部的烟丝无法从外部看到；烟在燃烧时，碳酸钙释放出的CO2，一定程度上控制了燃烧速度又不至于使烟熄灭，同时碳酸钙可使燃烧后的灰分很好的保持在原有位置；可增加纸张的透气性，使卷烟中焦油的含量降低。在不同的产品中，对纳米碳酸钙晶形的要求也不相同。用在造纸填料时以纺锤形、链状、球状为主；在卷烟纸中使用时以纺锤形、针状为主。（3）在塑料方面的应用在塑料的加工与生产中，普通碳酸钙产品只能作为一般的填料使用，而经过改性的纳米碳酸钙除了作为填充剂，还能起到活性剂和补强剂的作用，可以增加塑料制品体积，提升制品的硬度和强度，改善塑料加工性能，并增强塑料制品的耐热性、弯曲强度、弹性模量等各项性能指标。纳米碳酸钙已广泛应用于PVC、PS、PP等各种塑料的加工中，其中以PVC的用量最为庞大，尤其是电线电缆、管材等制品，纳米碳酸钙对PVC塑料具有很好的补强增韧作用，其主要的纳米特性使加工后的PVC塑料具有很好的强度、阻隔性、阻燃性、热稳定性等力学性能。（4） 在油墨方面的应用油墨主要由色料、连接料、填料、助剂等组成，经改性的纳米碳酸钙与连接料相容性好，且具有光泽度高、稳定性强、适应性强、不影响油墨的因数、干燥性能等优势，可综合提高油墨的质量且降低生产成本。（5）在其他方面的应用纳米级超细碳酸钙用于饲料行业，可作为补钙剂，增加饲料的含钙量，在化妆品中使用，可替代钛白粉。1.3表面改性剂用于改变粉体表面性质并改善粉体应用性能的化学物质。1.3.1偶联剂偶联剂是一种改善合成树脂与无机填充剂或增强材料的界面性能的表面改性剂。用以改善有机物与无机物之间的界面作用，从而提高了复合材料的性能，如物理性能、电性能等。1.3.2偶联剂的分类偶联剂按照化学结构可分为钛酸酯、硅烷、有机络合物和铝酸盐这四类。1.3.3硬脂酸硬脂酸，主要是油脂发生水解时的一种产物，是生产硬脂酸钠、硬脂酸镁等这类硬脂酸盐的材料。硬脂酸是以固体形态存在的，其颜色为白色透明蜡状或微黄色蜡状，带有牛油气味，可以粉碎成粉末。不溶于水，微溶于苯，易溶于氯仿、二硫化碳。1.3.4硬脂酸钠硬脂酸钠，即十八酸钠，是一种白色微小的粉末状或块状固体，具有光滑感和脂肪味，在空气中能吸收水分。微溶于冷水，而其水溶液水解后呈现碱性，易溶于热水及醇。可应用于生产乳化剂，稠化剂等。第二章 硅灰石纳米包覆与改性实验研究2.1主要药品及设备2.1.1主要药品硅灰石、生石灰、二氧化碳气体、氢氧化钠、硬脂酸2.1.2主要设备消化槽、碳化/活化釜、电动搅拌器、真空抽滤装置、恒温干燥箱2.2实验原理生石灰的消化反应：CaO+H2OCa(OH)2碳化反应： Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O硬脂酸与氢氧化钠的皂化反应：C17H35COOH+NaOHC17H35COONa+H2O2.3实验方法包覆处理改性法：利用无机物或有机物（主要是表面活性剂，水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等）对矿物颗粒表面进行包覆以达到改性的方法，也包括利用吸附、附着及简单化学反应或沉积现象进行的包膜。在反应釜中加入硅灰石、氢氧化钙悬浊液、二氧化碳进行加热高速混合的碳化反应，使硅灰石表面包覆一层纳米碳酸钙，然后在活化釜中进行搅拌加热并加入偶联剂进行活化，活化完成进行抽滤、烘干、打散并干燥后得到产品。 2.4实验前准备（1）清理设备：将水注入碳化釜内，直到碳化釜的三分之一的位置时停止水的注入，打开搅拌装置，并反复冲洗碳化釜内壁，直到出料口排出清水为止，同时停止搅拌装置。（2）检查装置：检查设备是否漏水、漏气，检查并确定工艺流程中的各个阀门的功能和状态，检查电源和仪表显示是否正常。2.5实验过程2.5.1消化反应 在消化槽中加入水10kg，开启搅拌装置并开始加热到70。（将水加热为的是提升反应的速率及提高氢氧化钙的质量）称取1kg生石灰添加到消化槽中，反应30min温度不再上升后，停止搅拌，静置冷却至常温，用100目筛，用清水反复清洗消化槽。2.5.2碳化包覆-复合改性碳化反应前要对装置进行检查、清洗、试漏，加入硅 灰石粉之后，注意观察液位；然后通入二氧化碳进行碳化反应，每 5min 检测 记录一次 pH 值，碳化 5min 后加入少量 AD755 表面活性剂（数量约为碳酸钙数 量的 1%），直到 pH 值达到 7 以下为止停止碳化。碳化结束后开启导热油加热装置，同时，开始配制硬脂酸钠溶液，配制方法参考轻质及纳米碳酸钙关键技术，硬脂酸数量约为碳酸钙数量的 2%；当浆液温度达到 80后停止加热（不停泵），然后加入硬脂酸钠溶液进行表面改性，直到碳化釜温度基本降低至常温。2.5.3过滤产品冷却至常温后进行抽滤操作，将溶液中的水尽最大量进行分离，碳化釜内溶液排完后停搅拌装置。2.5.4干燥和产品处理将过滤得到的滤饼进行烘干后，转移入干燥釜内进行干燥，干燥温度需达到120，搅拌速率300r/min，干燥3个小时后，可以得到纳米包覆与改性后的硅灰石。使用工具拆卸装置并将产品取出，用包装袋将其打包好。2.5.5产品展示纳米修饰及改性后的硅灰石性能得到了提升，有效提高了硅灰石的韧性及增大了硅灰石的表面积，白度也得到了提高，其亲油性的增强使硅灰石可以漂浮在水面上。图2-1纳米修饰及改性的硅灰石漂浮在水面上图2-2 纳米修饰及改性后的硅灰石第三章 针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺3.1针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺设计流程图图3-1 针状硅灰石晶体纳米包覆与改性生产工艺设计流程图3.2针状硅灰石晶体纳米包覆与改性流程工艺流程图 3.3针状硅灰石晶体纳米包覆与改性流程工艺平面布置图3.4碳化釜的结构3.4.1碳化釜的主要组成部分碳化釜主要由电动机、电热偶、二氧化碳进口、pH计、冷却水进出口、导热油进出口、保温夹套、物料进出口、搅拌器、制冷蛇管等组成。3.4.2使用时的注意事项（1）进料：按照碳化釜的设计，其进料不能超过本身体积的2/3，用以防止搅拌是液体的溅飞。（2）运行：在运行中应严格控制温度及压力指标，防止出现超温、超压的情况，同时还需避免应温差效应等造成的变形或损坏。（3）维护：进行拆除清洗时，应注意pH计和温度计等这种易破损的仪器，并反复冲洗碳化釜内壁，直到出料口排出清水为止。第四章 工艺计算4.1主要技术指标生产目标：100kt/a年生产时间：300d针状硅灰石粉含量：6kg纳米碳酸钙包覆率：25%硬脂酸改性剂用量：1.0%生石灰中CaO含量：93%消化工艺环节收率：95%CaO的相对分子质量：56CaCO3的相对分子质量：100C17H35COOH的相对分子质量：284NaOH的相对分子质量：404.2物料衡算4.2.1消化反应过程的物料衡算由4.1可知消化工艺环节收率为95%，生石灰中CaO的含量为93%，针状硅灰石粉6kg，纳米碳酸钙包覆率为25%。纳米碳酸钙的质量：625%=1.5利用CaO与CaCO3关系式得：CaO CaCO356 100x 2.5x=562.5100=1.4kg 计算得出CaO的质量为1.4kg，则中式过程中消耗的生石灰的质量为：则硅灰石针状粉进行纳米包覆改性，一年需要的生石灰量为：G=4.2.2湿法改性过程的物料衡算由技术指标可知硬脂酸改性剂用量：1.0%，则中式过程中硬脂酸的量为：则硅灰石针状粉进行纳米包覆改性，一年需要的硬脂酸量为：中式实验中需要烧碱的量，由硬脂酸与烧碱反应的化学方程式可得：C17H35COOH NaOH284 400.01 x一年需要的烧碱量为：4.3物料衡算表表4-1 硅灰石一年所需物料的量物料生石灰硬脂酸氢氧化钙 用量（t）参考文献1颜鑫，卢云峰，欧阳楚理，等.硅灰石针状晶体纳米碳酸钙微纳米复合粒子材料及其生产方法P.200910042410.1.2郝增恒，卢健，盖国胜.纳米碳酸钙包覆微米硅灰石复合矿物颗粒研究J.非金属矿，2003(5)：1920.3樊世明，杨玉芬，盖国胜，等.矿物颗粒表面纳米化修饰及其在PP复合材料中的应用J.复合材料学报，2005，22(1)：7075.4刘晓文，等.硅灰石粉末的制备和应用现状J.矿物保护与利用，2001,第一期.5王鉴，马震，孟庆明，等.硅灰石表面改性研究及应用J.当代化工，2016，第10期.6郑水林，等.粉体表面改性M. 北京：中国建材工业出版社，1996.7沈上越，池波，李珍，赵亮，等.硅灰石表面改性及效果评价J.矿物保护与利用，2000，第6期.8刘新海，杨友生，沈上越，等.表面改性硅灰石性能研究J.中国非金属矿工业导刊，2003，第34期.9姜鲁华，杜芳林.纳米碳酸钙的制备及应用进展J.中国粉体技术.2002.