一、技術(shù)來源與技術(shù)水平

納米是長度的計量單位，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)是當今世界研究和開發(fā)的熱點，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驗室里，進入產(chǎn)業(yè)化的只有少數(shù)幾個品種，納米級碳酸鈣就是其中一種。碳酸鈣因具有材料來源易得、價格較低、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，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，缺乏補強效果，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

納米級碳酸鈣是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型超細固體材料，粒徑在1nm～100nm之間。由于納米級碳酸鈣粒子的超細化，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、耐彎曲、抗龜裂性能好，是優(yōu)良的白色補強材料，在高級油墨、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，還具有補強作用。粒徑小于20nm的碳酸鈣產(chǎn)品，其補強作用與白炭黑相當，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，包括超細碳酸鈣和超微細碳酸鈣，屬納米體粉材料。

二、國內(nèi)外微細碳酸鈣（PCC）與納米級碳酸鈣應(yīng)用概述

在美國、日本、西歐等發(fā)達國家中，造紙消費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)用提供了一個巨大的潛在市場。碳酸鈣用做造紙?zhí)盍习锥雀撸�光散射性好，添加后的紙張有較高的松密度，良好的可塑性和柔軟性，紙張表面細膩，可大大改善紙張性能，使紙廠獲得明顯的經(jīng)濟效益。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”重點推廣項目之一，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)國和紙品消費國美國為例，2005年造紙?zhí)盍线x用輕質(zhì)碳酸鈣的比例達到65%，增長率為4%。美國超細碳酸鈣主要應(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年研制出了平均粒活為0.04um的超細碳酸鈣，1983年又研制出了平均粒活為0.005um的超細碳酸鈣。

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

納米級碳酸鈣作為造紙?zhí)盍暇哂懈弑喂庑浴⒏吡炼龋�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；粒度細小、均勻，對紙機的磨損小，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。目前納米級碳酸鈣在造紙工業(yè)上的應(yīng)用主要在高檔衛(wèi)生巾、紙尿布及家庭用護理成人失禁墊片、卷煙紙及造紙涂料等。

三、納米級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、強度和硬度提高、塑韌性改善、擴散能力提高、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)用方面的實驗并不多，因而進行這方面的研究是必要的。在造紙涂料方面，由于納米級碳酸鈣自身白度高，以及其屬于納米級材料的特點──表面積大、表面活性高、強度和硬度高，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。但是由于納米級碳酸鈣存在顆粒表面能高、極易團聚成團、表面親水疏油、與有機物質(zhì)之間沒有結(jié)合力等缺陷，增加了其實際應(yīng)用的難度，需要不斷地進行研究和突破。

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

（1）提高了IGT撫張粒毛強度。當配方中含有5%的納米碳酸鈣時，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抗張拉毛強度值可能會提高很多。

（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，粗糙度較低，紙相對來說比較平滑；同IGT抗張拉毛強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，從而影響了納米碳酸鈣的分散應(yīng)用效果。僅采用一般的機械分散和分散劑達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，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，呈強極性，一般的有機分散劑難以將其均勻分散，與有機質(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)系有待于實驗論證。

但不同行業(yè)對納米級碳酸鈣要求不同，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。