一、技術(shù)來源與技術(shù)水平

納米是長度的計(jì)量單位，為1×10－9m,。人工制造納米材料雖然可從幾千年前我國制造炭黑作顏料算起,，但納米微粒是德國于1984年首先研制出的,，開創(chuàng)了人類利用納米技術(shù)的先河,。納米微粒是一種新物態(tài),，是物質(zhì)顆粒直徑小于100nm的粉粒集合體，只有在電子顯微鏡下才能觀察到其顆粒形態(tài),。

1992年,，國際納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議定義納米材料為：“兩相材料中一相的任一維尺寸在1nm～100nm的聚集體,。”20世紀(jì)80年代由于電子能譜和掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用,，納米微粒許多異常性質(zhì)被發(fā)現(xiàn),，這才成為全球科技界和各國政府備加關(guān)注的熱門領(lǐng)域,。納米微粒較常規(guī)的微粒材料具有特異的物理,、化學(xué)性能,，短短十幾年，它已在國外的機(jī)械,、電子,、能源、化工,、生物,、建材、國防等眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用,。

納米技術(shù)是當(dāng)今世界研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，但納米技術(shù)和材料在我國尚處在起步階段,，大部分成果還停留在實(shí)驗(yàn)室里,，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的只有少數(shù)幾個(gè)品種，納米級(jí)碳酸鈣就是其中一種,。碳酸鈣因具有材料來源易得,、價(jià)格較低、毒性低,、污染小、白度較高,、填充量大及混煉加工性能好等特點(diǎn)，成為橡膠制品加工中用量最大的淺色填料之一。但由于受自身親水性及傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的局限,，通常碳酸鈣產(chǎn)品粒子都比較粗,，表面積較小,，表面缺乏活性，與聚合物復(fù)合往往只起到填充增量的作用,，缺乏補(bǔ)強(qiáng)效果,，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

納米級(jí)碳酸鈣是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型超細(xì)固體材料,，粒徑在1nm～100nm之間。由于納米級(jí)碳酸鈣粒子的超細(xì)化,，其晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,，產(chǎn)生了普通碳酸鈣所不具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng),、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng),，在磁性、催化性,、光熱阻和熔點(diǎn)等方面與常規(guī)材料相比顯示出優(yōu)越的性能,。將其填充在橡膠,、塑料中有使制品表面光艷,、伸長度好、抗張力高,、抗撕力強(qiáng),、耐彎曲,、抗龜裂性能好,，是優(yōu)良的白色補(bǔ)強(qiáng)材料,，在高級(jí)油墨,、涂料中具有良好的光澤,、透明,、穩(wěn)定,、快干等特性。

納米級(jí)碳酸鈣不僅可增容降低成本,，用于塑料、橡膠和紙張中,，還具有補(bǔ)強(qiáng)作用。粒徑小于20nm的碳酸鈣產(chǎn)品,，其補(bǔ)強(qiáng)作用與白炭黑相當(dāng),，粒徑小于80nm的碳酸鈣產(chǎn)品，可用于汽車底盤防石擊涂料,。因此,，納米級(jí)碳酸鈣的研制開發(fā)和應(yīng)用受到國內(nèi)外的關(guān)注。

納米級(jí)碳酸鈣是平均在0.1nm～100nm范圍內(nèi)的輕質(zhì)碳酸鈣，包括超細(xì)碳酸鈣和超微細(xì)碳酸鈣,，屬納米體粉材料,。

二、國內(nèi)外微細(xì)碳酸鈣（PCC）與納米級(jí)碳酸鈣應(yīng)用概述

在美國,、日本,、西歐等發(fā)達(dá)國家中，造紙消費(fèi)PCC占各行業(yè)首位,，而中國目前處于第三四位,。在造紙工業(yè)中，隨著造紙工藝過程中的施膠技術(shù)由酸性施膠向中－堿性施膠轉(zhuǎn)變,，為碳酸鈣的應(yīng)用提供了一個(gè)巨大的潛在市場,。碳酸鈣用做造紙?zhí)盍习锥雀撸�光散射性��,，添加后的紙張有較高的松密度,，良好的可塑性和柔軟性，紙張表面細(xì)膩,，可大大改善紙張性能,，使紙廠獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以,，歐美和日本的造紙廠大多從酸性施膠改為中－堿性施膠工藝,。近年來，中國造紙行業(yè)在造紙技術(shù)上也開始由酸性施膠向中性施膠技術(shù)轉(zhuǎn)變,，原輕工部已將中－堿性施膠技術(shù)列入國家“八五”重點(diǎn)推廣項(xiàng)目之一,，這就要求我們只有不斷開發(fā)碳酸鈣新產(chǎn)品，才能適應(yīng)造紙行業(yè)的需求,。

輕質(zhì)碳酸鈣在堿性造紙中主要用做填料,，也有少部分用做顏料。廣泛用于不含磨木漿的紙漿市場,，比高嶺土,、重鈣具有極佳物理性能，如高透明,、高密度,、高膨脹能力、粒度均勻,、顏料牢固等,。以目前世界最大的造紙生產(chǎn)國和紙品消費(fèi)國美國為例，2005年造紙?zhí)盍线x用輕質(zhì)碳酸鈣的比例達(dá)到65%,，增長率為4%,。美國超細(xì)碳酸鈣主要應(yīng)用于造紙和涂料，其中包括多種晶型的納米碳酸鈣產(chǎn)品。日本1952年研制出了平均�,；顬�0.04um的超細(xì)碳酸鈣,，1983年又研制出了平均粒活為0.005um的超細(xì)碳酸鈣,。

造紙工藝是PCC最大用戶,，占世界PCC使用量的73%，PCC在造紙上的兩個(gè)不同工藝用途是紙張?zhí)盍虾图垙埻苛�,。其主要用在填充無磨木漿涂敷紙（WFO）,，最高填充量可達(dá)到25%,，且用量有望增加,。

納米級(jí)碳酸鈣作為造紙?zhí)盍暇哂懈弑喂庑浴⒏吡炼�,，提高紙制品的白度和蔽光性,；還具有高膨脹性，能使造紙廠使用更多的填料量,，而少用紙漿,，大幅度降低原料成本；粒度細(xì)小,、均勻,，對紙機(jī)的磨損小，并使生產(chǎn)的紙制品更加均勻,、平整,；吸油值高，能提高彩色紙張的顏料牢固性等優(yōu)點(diǎn),。目前納米級(jí)碳酸鈣在造紙工業(yè)上的應(yīng)用主要在高檔衛(wèi)生巾,、紙尿布及家庭用護(hù)理成人失禁墊片、卷煙紙及造紙涂料等,。

三,、納米級(jí)碳酸鈣在造紙上的應(yīng)用研究

納米材料與對應(yīng)的常態(tài)材料相比，在光學(xué),、熱學(xué),、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)方面,，顯示出許多奇異的特性,，如密度降低、強(qiáng)度和硬度提高,、塑韌性改善,、擴(kuò)散能力提高、熱膨脹系數(shù)提高等。目前造紙領(lǐng)域?qū)�納米技術(shù)的研究和應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)并不多,，因而進(jìn)行這方面的研究是必要的。在造紙涂料方面,，由于納米級(jí)碳酸鈣自身白度高,，以及其屬于納米級(jí)材料的特點(diǎn)──表面積大,、表面活性高、強(qiáng)度和硬度高,，所以可能對涂布紙的質(zhì)量提高有所幫助,。通過在涂料里加入納米級(jí)碳酸鈣，希望可以得到高光澤度和高油墨吸收性的涂布紙,，并改善紙的平滑度,。但是由于納米級(jí)碳酸鈣存在顆粒表面能高、極易團(tuán)聚成團(tuán),、表面親水疏油、與有機(jī)物質(zhì)之間沒有結(jié)合力等缺陷,，增加了其實(shí)際應(yīng)用的難度,，需要不斷地進(jìn)行研究和突破,。

當(dāng)在造紙涂料原配方中加入5%納米級(jí)碳酸鈣時(shí),，在同樣的膠粘劑,、分散劑用量的情況下，可以提高涂層的強(qiáng)度,、平滑度，對油墨的吸收性能也有一定的改善,。加入納米級(jí)碳酸鈣后涂層的幾個(gè)重要物化指標(biāo)均有較大的提高：

（1）提高了IGT撫張粒毛強(qiáng)度,。當(dāng)配方中含有5%的納米碳酸鈣時(shí),，IGT值有明顯的提高,，比未加入納米碳酸鈣的要高將近80%。如果能把納米碳酸鈣分散技術(shù)的問題解決了,，IGT抗張拉毛強(qiáng)度值可能會(huì)提高很多,。

（2）粗糙度受納米碳酸鈣的影響很大,，主要原因是納米粒子的顆粒小,，為此紙面上的凹痕和小凸點(diǎn)相對減少,，從而使紙面更趨于光潔平滑,。在納米碳酸鈣占5%時(shí),，粗糙度較低,，紙相對來說比較平滑；同IGT抗張拉毛強(qiáng)度測定值所反映的一樣,，高含量的納米粒子要求高水平分散技術(shù),。納米碳酸鈣在適量及分散良好的情況下，有助于粗糙度的降低,、平滑度的增加,。

由于納米顆粒表面能高,，處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，極易聚集成團(tuán),，從而影響了納米碳酸鈣的分散應(yīng)用效果,。僅采用一般的機(jī)械分散和分散劑達(dá)不到理想的分散效果,。所采用的分散劑是聚丙烯酸鈉,，在選用時(shí)，考慮到它對于瓷土和碳酸鈣的分散效果較好,，而且在分散原理上有著一定的優(yōu)勢,，是較好的選擇。但還要考慮到：一方面納米碳酸鈣表面親水疏油,，呈強(qiáng)極性,，一般的有機(jī)分散劑難以將其均勻分散,，與有機(jī)質(zhì)之間沒有結(jié)合力,，易造成界面缺陷,，導(dǎo)致材料性能下降,，而所選用的聚丙烯酸鈉恰恰又是有機(jī)分散劑,；另一方面,，所采用的分散劑是常規(guī)大顆粒涂料所采用的分散劑,，可能這種分散的機(jī)理不適應(yīng)于納米粒子的分散。因此,，納米碳酸鈣能否均勻分散,，將極大影響涂料的涂層性能,。另外,，從理論上看，納米碳酸鈣的表面積大,，需用的膠粘劑量應(yīng)該相應(yīng)增加,，這其中的比例關(guān)系有待于實(shí)驗(yàn)論證。

但不同行業(yè)對納米級(jí)碳酸鈣要求不同,，同一行業(yè)不同品種產(chǎn)品對納米碳酸鈣要求也不同,。所以一方面要了解不同行業(yè)不同品種下游產(chǎn)品對納米碳酸鈣的要求；另一方面還應(yīng)研究納米級(jí)碳酸鈣如何應(yīng)用,，最好能提供適應(yīng)于某一行業(yè),、某一品種應(yīng)用的配方。