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纳米碳酸钙范文1
纳米碳酸钙是上世纪八十年展起来的新型固体材料，选料为非金属矿石灰石，采用沉淀法合成纳米粉末体的技术来制备纳米材料。随着纳米技术的快速发展，碳酸钙逐步实现了表面改性、结构复杂化以及超细化的发展，应用价值越来越高，在熔点、催化剂、光热组和磁性等方面的优越性日益增强。可以说，纳米碳酸钙产品的应用空间与发展潜力将会越来越大。
一、纳米碳酸钙的化学制备方法
（一）凝胶法
凝胶法主要是以凝胶的一端或两端为依据，让Ca2+和CO32-加以扩散，这样凝胶内部可以生成结晶核，在其位置不变的前提下，能够对晶核的生长与生成进行连续观察，适应于晶体过程的研究。当然对不同的条件加以控制，如添加剂的浓度与种类、pH值、Ca2+和CO32-的浓度、凝胶浓度等，可以得到球霞石型或文石型的碳酸钙。
（二）乳液法
乳液法可以划分为乳状液膜法与微乳液法，其中利用前者来制备纳米CaCO3时，膜溶剂需选用煤油，让司本-80（Span-80）座位流动载体与表面活性剂，这样可以配成水相与油相不相溶的液体混合物，利用电动搅拌器加以搅拌后，这时油相中会分散有微液滴形式Na2CO3水溶液，形成乳液后与Ca（OH）2溶液进行混合搅拌，Ca2+会进入微液滴加以反应，从而生成CaCO3超细颗粒。后者则是在两份完全相同的微乳液中溶入可溶性钙盐与可溶性碳酸盐，在特定情况下混合反应之后，需要对小区域内的晶粒生长与成核进行控制，然后将溶剂与晶粒进行分离，从而得到纳米碳酸钙的颗粒。一般来说，微乳液是由水、油、助表面活性剂、表面活性剂组成的热力学稳定体系。
（三）复分解法
复分解法主要是在一定的工艺情况下，将水溶性碳酸盐与水溶性钙盐进行固-液相反应，制备出纳米碳酸钙产品，以此控制生成碳酸钙的过饱和度以及反应物的温度与浓度，适当加热添加剂则能够获得无定性碳酸钙。如利用此方法制备纳米碳酸钙时，选用碳酸铵与氯化钙作为原料，其化学反应式为：（NH4）2CO3+CaCl2=2NH4Cl+CaCO3，这样可以制备出高白度与高纯度的纳米碳酸钙产品。但是由于碳酸钙中氯离子无法除尽吸附，而在实际生产中采用的倾析法需消耗大量洗涤用水与时间，因此使用范围狭小。
（四）碳化法
采用碳化法碇票改擅滋妓岣剖保需要精心选择石灰石，并对其加以煅烧来获得窑气与氧气；然后消化氧化钙来生成悬浮氢氧化钙，利用高剪切力作用对其进行粉碎，借助多级旋液来分离与去除杂质及颗粒，获得精制氢氧化钙悬浮液；适当加入晶型控制剂与CO2气体，得到晶型碳酸钙浆液，在此基础上通过表面处理、干燥与脱水等手段获取纳米碳酸钙。该方法可分为连续喷雾碳化法与间歇搅拌式碳化法，前者制备的纳米碳酸钙产品具有粒度均匀和细小等特点，平均粒径多为30nm～40nm，微粒晶型可调控，投资与能耗相对较小，产品质量稳定，生产能力大。而后者的搅拌气液具有较大的接触面积，因此产品的粒径分布较为狭窄，反应相对均匀，但是其需要较大的设备投资，操作十分复杂。总而言之，碳化法制备的纳米碳酸钙产品高，具有良好的性价比，在国内外的工业生产中应用较为广泛。
二、纳米碳酸钙的应用
对于纳米碳酸钙而言，其作为一种优质的填料，具有粒子形状可控、成本低、化学性质稳定、易于着色和色白质纯等优势，在橡胶和涂料等工业生产中得到了广泛的应用。首先，涂料工业。纳米碳酸钙多用于水性涂料，以此提高其光泽度、硬度和柔韧性，能够有效防止沉降情况的发生；同时借助其存在的“蓝移”现象，在胶乳中适当添加纳米碳酸钙，可以使涂料形成屏蔽作用，达到防热老化和抗紫外老化的目的。其次，塑料工业。在塑料中应用纳米碳酸钙时，可以改进塑料的散光性与加工性能，提高耐热性与塑料尺寸的刚性、硬度、稳定性，减少产品的成本，促进塑料体积的增加。由于纳米碳酸钙具有较小的粒径，可以在塑料的空隙与气泡中适当填充纳米碳酸钙，确保塑料的均匀性。在聚乙烯中添加纳米碳酸钙，可以在一定程度上增加韧性，因此其在聚丙烯和聚氯乙烯塑料等聚合物中的应用较广。最后，橡胶工业。橡胶中应用纳米碳酸钙，不仅可以具备良好的空间立体结构与分散特性，促进材料补强作用的提升，还可以降低橡胶原料的使用，减少成本，增加制品的体积；同时将其与陶土等填料相互配合使用，能够提高制品的抗张强度与伸性，增强产品质量。硬脂酸及其盐类在增加钙离子与橡胶的表面湿润度、纳米碳酸钙的表面改性等方面发挥着重要的作用。
三、结束语
纳米碳酸钙作为一种新的固体材料，具有优异的性能，将其应用于涂料、塑料和橡胶等领域，将会为工业化生产带来更大的经济效益与生产价值，具有良好的发展前途。随着社会的发展与科技的进步，对纳米碳酸钙功能化与专用化的要求越来越高，需要完善各种制备方法，采用低廉高效的制备方法，制备高品质与高纯度的纳米碳酸钙产品，以此满足不同制品的需求。我们相信，在纳米碳酸钙结晶过程研究不断深入以及制备手段进步的背景下，将会形成完善的结晶理论，实现结合需求来人为设计纳米碳酸钙微观结构的目的。
参考文献：
[1]陈志军，张秋云，坝德伟，马培华.纳米碳酸钙的研究进展[J].广州化工，2010（10）：20-22.
[2]王向科，尹荔松.不同形态纳米碳酸钙制备及应用的研究进展[J].硅酸盐通报，2014（05）：1103-1106.
纳米碳酸钙范文2
论文摘要：本文探讨了我国无机填料的生产与应用现状，阐述了我国无机填料工业存在的问题，提出了“提高行业产品品质、增加产品附加值以振兴无机填料工业”的新思路。本文还通过不同材料提升品质前后对复合材料物理性能的变化的实例，论述无机填料品质提升的重要性与可行性。本文最后论述了我国无机填料工业赶超国外先进技术的必须经过的“研、产、用三结合”的途径与方法。
随着橡胶应用领域的扩展，无机填料在橡胶工业中的地位越来越突出。特别是随着现代材料改性技术的发展，很多无机材料被赋予了独特的物理与化学性能，如耐磨性、导电性、导热性、阻燃性、耐腐蚀性、气密性等等。
橡胶工业对被用做填料的矿物无机材料有一定的要求，如颗粒大小，形状和表面性质等。符合这些要求的材料，才能在橡胶工业中发挥应有的作用。
按目前的技术，橡胶中应用的无机填料要求达到如下要求：
1.
化学活性不高和橡胶不起化学作用；
2.
不影响硫化胶化学性能，即耐侯性、耐酸性、耐碱性和耐水性；
3.
不明显降低硫化胶的力学性能；
4.
在橡胶中易混入，易分散，可大量填充；
5.
价廉易得；
6.
粒径细小，一般要求达到150nm以下；
7.
粒子表面能被橡胶分子湿润，（这一点可以通过对无机填料的表面改性而得到更好体现）。
目前，在橡胶工业中应用的无机填料，按成份可分为四大类：
1、硅酸盐矿物填料（滑石、高岭土、长石、硅灰石、云母、膨润土、石棉）；
2、碳酸盐填料（石灰石、方解石、白垩、菱镁矿）；
3、硫酸盐矿物填料（重晶石、石膏）；
4、氧化矿物填料（石英、粉石英、硅藻土和金红石）。
高性能的橡胶制品，对矿物无机填料提出了更高的要求。矿物填料仅通过粉碎研磨分级已不能满足使用要求，必须通过表面处理、活化改性等方法，使其提高品级档次，以适应日愈发展的高性能橡胶制品的性能要求。因此，只有作为使用部门的橡胶工业和无机填料生产部门之间的密切合作，才能加快这一适应过程，促进双方共同发展。
一．橡胶工业中无机填料的应用现状
尽管无机填料的品种很多，但真正在橡胶工业中广泛使用的主要也就二种：硅酸盐类与碳酸钙类。（白炭黑虽然也属于无机填料，但它作为与炭黑一起的二大橡胶补强剂之一，已属于一个单独的行业，且该行业不乏强大的资金与技术支持，因此，本文不再对其进行论述）。
硅酸盐类：主要有陶土、滑石粉、云母粉、石棉粉。
陶土：包括高岭土、瓷土、白土、皂土或纯净黏土。是橡胶工业用量最大的矿物填料，用量约占矿物填料总量的59%。其主要成分为氧化铝和氧化硅的结晶化合物。按其粒径大小，陶土可分为：硬质陶土、软质陶土、高级陶土。
硬质陶土：粒径≤2um的占80%以上，≥5um的占4-8%，比表面为22-26m2/g，在橡胶中有半补强作用，能改善硫化胶的力学性能，是目前在橡胶中用量最大的品种。
软质陶土：粒径≤2um的占50-74%，≥5um 占8-30%，比表面为9-17 m2/g，在橡胶中无补强作用，硫化胶力学性能差。
高级陶土：粒径≤1um，含少量有机物，微量吸湿性。
在橡胶中加入陶土对胶料性能有一些负面的影响： 如随着用量增加，硬质陶土可使胶料可塑性下降较大的幅度，软质陶土使胶料可塑性下降较大的幅度略小一点。但两者都能减小收缩率，使表面光滑。 随着用量增加，扯断强度、耐磨性、定伸强力均有不同程度的提高，用量为20份最好。伸长率则随用量增加而下降。由于陶土属异轴结晶系，各向异性，耐撕裂性能较差，但用于丁基橡胶却能改善其耐撕裂性能。硬质陶土比软质陶土耐撕裂性能好。 由于硬质陶土粒径比软质陶土小，其胶料生热比软质陶土高，胶料的回弹性软质陶土高于硬质陶土，永久变形硬质陶土胶料比软质陶土胶料小， 龟裂增长速度硬质陶土胶料比软质陶土胶料慢。
滑石粉：由天然滑石经干法、湿法粉碎或高温煅烧而得，是六方或菱形结晶颗粒，粒径为1.3-149um。其化学组成为水合硅酸镁。用做橡胶填充剂、增容剂、隔离剂及表面处理剂。
硅灰石粉：由天然硅灰石经选矿、粉碎制得，粒径为3.5-75um。其化学成分为偏硅酸钙。用做橡胶填充剂和白色颜料。
云母粉：由天然云母矿石经干法、湿法研磨制得其化学成分为硅酸钾盐。用做橡胶填充增量剂。绢云母有补强效能，可替代部分半补强碳黑使用，还可用做隔离剂。由于它属单斜晶系，其结晶呈薄片状，能提高橡胶的阻尼性能。它有良好的耐热、耐酸性能和电绝缘性能，还有防护紫外线和放射性辐射的功能，可用于特种橡胶制品。
石棉：由天然石棉矿加工制成，其化学组成为含镁、铁、钠的硅酸盐，呈纤维状结晶。它对橡胶有补强作用。突出的优点是隔音、隔热、耐酸、耐碱和绝缘，也可用做隔离剂。
长石粉：由天然花岗岩经浮选，除去二氧化硅、云母后再经研磨制得。其化学成分是无水硅酸铝，随其钠、钾、钙氧化物含量不同分别有钠长石、钾长石、和钙长石，用于胶乳不破坏皂液性质，能防止附聚作用。亦可用做丁苯橡胶和聚氨脂橡胶的填充剂。
煤矸石粉：由天然煤矸石经研磨而得。其化学组成类似高岭土，即为氧化硅和氧化镁的混合物，唯挥发成分高达27%。有半补强效能，俗称硅铝碳黑。易混入橡胶，分散性好，可替代部分碳黑做补强剂使用。
海泡石粉：由天然硅酸镁黏土矿经精选、深加工制得。其化学组成分为氧化硅和氧化镁的水合物，含少量铝和铁氧化物。在浅色橡胶制品中用做补强剂，性能仅次于白碳黑。
凹凸棒土粉：由蒙脱石等硅酸铝镁类矿物精选加工制得。其化学成分为硅、铝氧化物，含少量铁、钙、锰氧化物。白色纤维状结晶，表面有凹凸沟槽，故得此名。是半补强类型填充剂，能使压出压延胶料表面光滑。
碳酸钙类：主要有重质碳酸钙与轻质碳酸钙，是橡胶工业中用量仅次于陶土的矿物材料，其用量约占无机矿物填料总量的27%。
重质碳酸钙：又称重钙粉，是由天然大理石、石灰石、白垩、方解石、白云石或牡蛎、贝壳等经粉碎、风选到一定细度制得。按粒径大小重钙粉可分为不同的品种，如三飞粉、四飞粉等。 重质碳酸钙粒径一般在10um左右。用于橡胶主要起填充增容作用，无补强效能。
轻质碳酸钙：又称轻钙。粒径在0.5-6um之间，经化学沉淀法制得，有微弱的补强效果。轻质碳酸钙按其粒径大小分为普通轻钙、超细碳酸钙、纳米钙，超细碳酸钙、纳米钙粒径在0.01-0.1um之间，有较好的补强效果。
二．我国无机填料品种和产业存在的不足
我国目前的无机填料生产企业多是由原先规模较小的乡镇企业转化而来的民营企业，因此，大多存在规模小、技术弱、创新慢、层次低的通病，而这些不足带来的另一个通病是品种单一，技术含量低，致产品的附加值低。目前在橡胶企业中使用最多的水洗硬质陶土的价格基本上在600元/吨以下。产品的低附加值，致企业无力在产品的技改上加大投入，也缺乏引入高素质人才的热情，使陶土生产企业始终在低水平层次上苦熬日子。而同样的水洗陶土产品，在国外，由于进行了特殊的生产工艺及后续加工，陶土的价格超过3000元/吨，特殊的产品如用作橡胶胶片隔离剂的预处理陶土，售价甚至超过6000元/吨。
反观国内的陶土生产企业，除了行业恶性竞争带来的低附加值、低技术含量，更有假冒、劣质产品充斥市场，更劣化了行业的生存环境。笔者曾在一家有一定规模的民营企业，发现填充了大量砂子的劣质陶土。这些假冒、劣质陶土，不仅损害行业产品信誉，更毒化行业产品的应用市场。
碳酸钙行业的处境比陶土生产企业略为好一点，但陶土行业存在的“二个通病”同样存在。之所以目前的碳酸钙行业的处境比陶土生产企业强一点，是因为碳酸钙行业还能吃到原先行业中有较高比例的国有企业的甜头，如原先的上海碳酸钙厂、浙江菱湖轻钙厂、黄石碳酸钙厂等一批国有企业，由于技术力量较强，加上行业技术交流多，使碳酸钙行业的技术与国际先进水平的差距在10年以内，典型的例子如日本在70年代中期开发出准纳米轻钙——白艳华-C与白艳华-U产品，上海碳酸钙厂在80年代初也开始生产同类产品“活性轻钙”与“超微细轻质碳酸钙”。但是，随着国有企业的倒闭与转制，行业技术缺乏新鲜血液的补充，行业技术交流名存实亡，我国碳酸钙行业与国外企业特别是与日本的碳酸钙企业的差距迅速拉大，以纳米碳酸钙为例，在日本，纳米碳酸钙在轻产品中的比例已超过70%，而国内的比例还不到5%，而且占有相当比例的国产的纳米钙的品质存在不足，不能与进口产品比较，以致，我国虽然已是轻钙的产量大国，但高端的轻钙产品还是靠进口。
如果我国无机填料生产企业不改变目前的生产与经营模式，继续吝啬资金与技术的投入，继续在低附加值的原始产品上恶性竞争，恐怕永远不会摆脱度日如年的处境。
三．无机填料品质提升途径
无机填料行业只有提升品质、提高产品的附加值，同时，加大科研投入，并与填料的使用部门与科研院所密切合作，开发适销对路的高端产品，才能迎来行业的春天。
在硅酸盐产品品质提升方面，目前国内已有不少新产品的报道，如插层改性纳米蒙脱土、纳米陶土、活性陶土、水溶性陶土等，但大部分的新产品与新技术还深藏在科研院所的闺阁中，不知是科研院所不愿意“抛绣球”还是填料生产企业不愿意接“绣球”，总之，我国在无机填料改性方面的成果很多，但形成生产线的很少。分析其中的原因，不外乎二方面原因：一是新产品或新技术还处于实验室阶段，科研人员未具备进行中试或生产应用的条件与经验，也可能是科研人员缺乏进一步试验的资金或行业支持；二是行业经营者对新产品与新技术的市场前景缺乏信心，也可能是行业的经营者与技术成果的持有者缺失相互沟通的渠道。
最近笔者听到一个令人高兴的消息，由上海琪祥化工与中国矿大合作开发的改性纳米陶土已进入轮胎橡胶领域，仅一个年产150万套轮胎的轮胎厂该产品月用量已超过100吨。该产品的特点是利用纳米陶土本身的层状结构气密性好的特点，进行插层改性后以提高橡胶复合材料的物性。笔者也对该纳米材料进行了用于全钢载重子午胎气密层胶中的试验，的确有在保持物性的前提下能降低成本、提高橡胶气密性的作用。如下是笔者的试验结果：
表一 纳米陶土粉对子午胎气密层胶物理性能的影响
T-1#
T-2#
T-3#
T-4#
N660炭黑
60
55
55
55
纳米陶土粉1＃
10
纳米陶土粉2＃
10
20
硫化胶物性
150℃×30min
硬度（邵尔A）
55
56
55
57
300%定伸应力MPa
4.8
4.7
4.4
4.4
拉伸强度 MPa
11.1
10.7
10.9
10.3
扯断伸长率 %
658
673
701
684
永久变形 %
25
30
30
37
撕裂强度kN/m
34
34
34
34
密度
1.13
1.16
1.16
1.19
110℃×24h老化后性能
硬度（邵尔A）
63
62
62
65
300%定伸应力MPa
6.0
5.9
5.3
6.0
拉伸强度 MPa
9.8
10.3
9.9
10.1
扯断伸长率 %
537
589
586
567
永久变形 %
21
25
25
26
老化性能变化率%
-28
-16
-24
-19
混炼胶硫化特性
ML
1.41
1.33
1.28
1.34
MH
6.75
6.95
6.59
6.87
TS2 min
6.07
5.48
6.14
5.7
T90 min
23.22
23.26
23.71
24.25
基本配方：NR，20；BIIR，80；硫磺与促进剂，2；ZnO，3.5；硬脂酸，1.5；碳黑，60；其它，22；填料，变量。
从上述表中可以看到，增用了20份的2#纳米陶土粉，气密层胶的物理机械性能与工艺性能变化很小，完全达到全钢载重子午胎气密层胶的要求，有意义的是，增用了20份纳米陶土粉的气密层胶料老化后性能提高了32%，气密性还略有提高，如将填充的纳米陶土粉换成炭黑或其它填料，则气密层胶的气密性大大降低，这会影响轮胎的使用寿命。
硅酸盐无机填料，同白炭黑一样，因其较强的亲水性，粒子表面能大，在生产过程中，粒子与粒子之间易二次结聚形成更大粒径的粒子，影响其补强性能，同时，填料填充到橡胶中后，填充粒子之间极易形成填料网络，即所谓的“佩恩效应”，从而影响复合材料的综合性能，因此，应对填料进行表面改性，以提高填料粒径的均一性，同时，降低“佩恩效应”。
目前，国内外对无机填料改性关注力度最大的莫过于对蒙脱土的插层改性，几乎国内所有综合性大学的材料学院都有研究人员对其进行专门研究，而中国矿大与北京化工大学似乎还走在了前面，前面提到的强微粉正是矿大的技术成果。
对硅酸盐无机填料的品质提升有二条途径：一是对其纳米化，并用有机材料对其表面改性后再造粒，以防止纳米粒子的二次结聚，同时减少填料使用单位的粉尘污染；二是利用填料本身的结构特点，挖掘其优点，改良其不足。如前述的蒙脱土，其填料最小粒子结构是片层结构，在垂直片层的方向上，有很高的气体通过阻碍性，如能用高聚物对其片层结构进行插层改性，则既利用了其本身的优点又极大地提高了其补强性能，使其利用价值得到质的提升，这也是国内外对其研究热情奇高的原因。
下列表二、表三、表四为纳米高岭土的物理性能与在不同胶种中应用后的性能，读者可以一窥其性能优势：
表二 纳米高岭土理化指标
物
理
性
能
SiO2
49.12
片层平均直径(Average diameter of flakes)
300-500nm
Al2O3
41.34
片层平均厚度(Average thickness of flakes)
20-50nm
Fe2O3
0.831
比表面积(Surface area)
32m2/g
MgO
0.0903
白度(Brightness)
75%-90%
CaO
0.167
pH值
7.0-8.0
Na2O
0.593
吸油值(Oil absorption)
45±5ml/100g
K2O
0.165
遮盖力(Hidden ability)
0.925
SO3
0.244
水分(water content)
≤1.0%
TiO2
1.26
325目筛余量(325 mesh residue)
≤0.02%
P2O5
0.421
密度（Density）
2.55g/cm3
MnO
0.0016
烧失量（≤）
0.16
表三 不同橡胶中的实验配方
白炭黑/
纳米高岭土
白炭黑/
纳米高岭土
白炭黑/
纳米高岭土
表四 纳米高岭土在各种橡胶中应用性能对比
丁苯橡胶（SBR）
邵尔硬度(Hardness)
76
54
扯断伸长率/%（EB）
740.0
746.4
拉伸强度/MPa(TS)
17.62
16.53
300%定伸强度/MPa(SE)
4.23
3.86
500%定伸强度/MPa(SE)
8.45
6.25
撕裂强度/KN/m(TRS)
46.87
39.25
弹性/%(El)
41
50
纳米高岭土在顺丁橡胶、三元乙丙橡胶和天然橡胶中的补强实验结果说明，纳米高岭土在拉伸强度和定伸强度方面均优于白炭黑，特别是在天然橡胶中，纳米高岭土的拉伸强度比白炭黑高约10MPa。在扯断伸长率和弹性方面，纳米高岭土也均优于白炭黑。在撕裂强度方面，在顺丁橡胶和三元乙丙橡胶中白炭黑优于纳米高岭土，但在天然橡胶中纳米高岭土优于白炭黑。
从上述结果我们可以看到，无机填料高岭土通过品质提升，其性能可以与白炭黑PK，笔者认为，这是无机填料通过品质提升提高其产品附加值的核心所在。
碳酸钙产品的质量提升的难度略小于硅酸盐产品，因为碳酸钙生产基本上为工厂化作业，特别是沉淀法轻质碳酸钙生产，改性与否对其生产成本增加不是很大，产品改性的成本增加主要是改性材料本身的材料成本与附加设备的投资。
但是有二个奇怪现象，一是虽然轻钙产品改性成本比较小，但行业内对产品品质提升的热情似乎不高，据不完全统计，我国08年碳酸钙生产企业达270余家，轻质碳酸钙生产能力超过280万吨/年，附加值相对较高的纳米钙不到10万吨/年，纳米钙占总轻钙产量的比例不到5%，而同期，纳米碳酸钙在日本企业的比例则超过70%。二是性能优异的纳米钙的使用比例在国内不是很高，（欧美等发达国家的纳米钙消费量占全部轻钙产品的60%以上），按08年国内橡胶与塑料消耗量计算，08年消耗的轻钙总量应在300万吨以上，如橡胶制品与塑料制品使用高档轻钙的比例按30%计算，则纳米钙的用量应在90万吨以上，而实际用量（包括进口）还不足25万吨。为什么会造成上述的二个奇怪现象呢？根据笔者对轻钙行业的了解，认为主要有三方面原因：
1.缺少技术支持，得不到国家的科技扶持，企业科技创新的基础十分薄弱。因为目前的碳酸钙生产企业基本上为民营企业，生产企业的技术人员相对而言技术与文化层次比较低，而且，技术人员为了保住自己的技术地位，对技术与经验十分保守，即便是同一企业内的技术人员，相互之间也不愿意交流技术经验与心得，因此，企业的技术人员对新技术与新产品的信息的掌握十分有限，企业科技创新的基础十分薄弱，企业新产品的开发基本上靠老板定，老板本人掌握的科技知识决定了该企业产品的技术含量。
2.新技术、新产品的研发、生产、应用三大块的技术人员不能在利益与目的上串成一根绳，至研发人员不知道要开发什么新产品、要研发什么新技术；生产人员不知道应生产什么适销对路的新产品、不清楚能使用什么既能节省成本又能提高产品质量的新技术，更不了解自己生产的产品对使用该产品的行业有什么不足与技术瓶颈；而产品的应用人员也提不出对轻钙产品进行何种技术改造而能使自己的制品达到提质降耗的目的。三方人员各顾各，缺少技术与信息的互通，使得我国轻钙行业的技术始终落后于国外同行。
3.企业主的质量意识和管理水平还未达到一定的层次。据笔者从事橡胶配方设计与材料改性工作的经验，国内生产的轻钙产品极大部分在品质方面不如日本产的质量好，特别是纳米钙与活性碳酸钙，质量的均一性与日本产品比较存在一个质量上的档次。国产纳米钙与活性碳酸钙的性价比不高，这可能也是目前我国轻钙产品中纳米钙所占比例不高，而进口产品虽然价格昂贵但进口数量还是不断上升的原因。
前面提到，我国碳酸钙产品的质量提升的难度要小于硅酸盐产品，这是因为，在国内，能提供技术支持的部门比较多，如中科院、北京化工大学、天津大学、华东理工大学、华南理工大学等多所大学与研究院能提供技术服务。
对碳酸钙的品质提升，目前主要有产品的纳米化与产品的功能化改性二种途径。
纳米碳酸钙与普通轻钙的价格差距是十分明显的，现在国内普通轻钙的价格在800元/吨以下，而纳米钙的价格则在1600元/吨以上。但国产纳米钙在粒径分布的均一性上存在不足，有相当比例的粒径超过120nm，而这些粒径超过100nm的粒子是造成橡胶制品早期损坏的原因之一，可以说，因为有了这些大粒径的粒子，尽管比例很低，但从理论上说，已不是纳米材料的范畴。这也是国产纳米钙性价比不高的原因。
碳酸钙产品的功能化改性是指对碳酸钙颗粒的表面进行化学与物理改性，以达到某种功能化的目的。
到目前为止，见诸报端的功能化改性工作有：1）碳酸钙颗粒的表面包覆氧化锌与氧化钛，以部分代替高价的氧化锌与钛白粉；碳酸钙颗粒的表面包覆氧化锌与氧化钛后，其售价可达4000元/吨以上。2）碳酸钙颗粒的表面包覆SiO2，以部分代替白炭黑及补充白炭黑在某些方面的性能的不足；碳酸钙颗粒的表面包覆金属，以提高橡胶制品的某些特殊性能。碳酸钙颗粒的表面包覆SiO2后，其售价可达2000元/吨以上。碳酸钙颗粒的表面包覆金属后，其售价可达3000元/吨以上。下面挑选笔者自己从实验室改性的二种碳酸钙改性材料的物性数据，以帮助读者对材料功能化改性的了解。
1. 碳酸钙颗粒的表面包覆SiO2前后物理性能的变化：
表五：碳酸钙颗粒的表面包覆SiO2前后在SBR1502基方中的性能变化
未改性轻钙的基方
表面包覆SiO2的轻钙基方
硫化胶物性
143℃×30min
硬度（邵尔A）
53
53
300%定伸应力MPa
1.8
2.0
拉伸强度 MPa
2.1
3.0
扯断伸长率 %
387
484
永久变形 %
10
11
撕裂强度kN/m
15
18
密度
1.18
1.17
110℃×24h老化后性能
硬度（邵尔A）
58
59
300%定伸应力MPa
--
2.5
拉伸强度 MPa
2.2
2.8
扯断伸长率 %
266
335
永久变形 %
7
4
老化性能变化率%
-28
-35
混炼胶工艺特性143℃
ML
1.24
1.4
MH
11.82
11.77
TS2 min
20.68
20.57
T90 min
36.36
37.54
基方：SBR1502，100；氧化锌，4；硬脂酸，2；硫磺，2；促进剂NS，1.5；填料，40。
从表五中可以看到，普通轻钙经表面包覆SiO2后，其基方硫化胶的300%定伸应力、拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度等性能都得到提高，而混炼胶的工艺性能基本未变化，可见，如要扩大轻质碳酸钙在橡胶领域中应用面，对其粒子表面进行SiO2包覆改性是一个不错的提升品质的新路子。
2. 碳酸钙颗粒的表面包覆金属对其物理性能的变化：
表六 载重轮胎胎侧配方中增用金属改性轻钙后其物性变化
1#
2#
3#
4＃
无轻钙
普通轻钙
10
改性轻钙粉
10
铜粉
10
硫化胶物性
143℃×45min
硬度（邵尔A）
62
65
66
62
300%定伸应力MPa
7.3
7.2
9.1
7.2
拉伸强度 MPa
15.0
13.8
15.0
13.8
扯断伸长率 %
533
456
441
514
永久变形 %
20
20
19
22
扯裂强度 kN/m
65
64
69
65
密度
1.14
1.18
1.18
1.21
110℃×24h老化后性能
硬度（邵尔A）
65
70
68
70
300%定伸应力MPa
8.6
8.5
9.7
10.2
拉伸强度 MPa
12.6
11
11.9
11.3
扯断伸长率 %
428
378
368
317
永久变形 %
20
17
18
9
老化性能变化率%
-33
-34
-34
-49
混炼胶硫化特性
143℃
ML
1.84
2.19
1.7
1.5
MH
13
14.59
15.53
11.97
TS2 min
9.36
8.50
8.12
5.96
T90 min
20.4
19.45
26.38
19.96
基本配方：NR/BR/SBR 100，硫磺与促进剂 2.3，防老剂 5，氧化锌 3.5，硬脂酸 2，炭黑与填充剂63，其它 16。（另：在4＃配方中还增用了3份硫磺）
图一：轮胎胎侧胶增用10份铜粉或改性轻钙后硫化胶导热系数的变化曲线
从表六中我们看到，在轮胎胎侧配方中增用10份改性轻钙后，除硬度增加4个指标外，胎侧胶的300%定伸应力提高2个MPa，拉伸强度也有提高，扯断伸长率略下降，其它性能基本未变化。从图一的胎侧胶的导热系数变化曲线中可以看到，胎侧胶中增用10份改性轻钙后，其导热系数接近于铜粉，部分温度点还优于铜粉，可见，如将轻钙的表面改性作为其提高产品品质的途径之一，其产品附加值的将会相当高。
四．前景预测
1.我国无机填料的生产与应用存在先天与后天的不足，很难在短时间加以彻底改观，需通过多方的力量加以改进；可以套用一句俗语来形容我国无机填料工业的前景：前途是光明的，道路是曲折的。
2.提升无机填料的品质、提高无机填料产品的性价比与附加值，是振兴无机填料业的唯一途径。
3.通过品质提升及提高产品附加值的方式，可使目前的无机填料企业在不增加产能的前提下，利润率提高二倍以上，并使行业的人才培养、企业发展步入正常轨道。
纳米碳酸钙范文3
[关键词]羟基磷灰石；微球；碳酸钙；水热法
[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.41.065
羟基磷灰石（hydroxyapatite， HA）， 化学式Ca10（PO4）6（OH）2， 是人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性和生物活性，是一种重要的生物医用材料。在生物医学领域中，人造或天然HA已被用于骨填充材料，药物载体，种植体表面涂层，骨组织工程，重金属吸附等。微米结构HA因为比表面积高和生物相容性好，在作为药物载体时，能有效提高药物的存储量，具有缓释、安全、有效、副作用小等优势，因此在药物输送方面有更广阔的应用前景。[1]
关于HA的制备方法有很多，主要有水热法，化学沉淀法，微波固相法，溶胶-凝胶法，自燃烧法，电化学沉积法等。[2]水热沉淀法是在特制的密闭反应容器中（高压釜），先制备碳酸钙为硬模板，再在碳酸钙表面原位合成羟基磷灰石。采用水溶液作为反应介质，在高温高压环境中，使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。[3]水热沉淀法形成的HA结晶度高、形状单一，有较好的力学性能。[4]Wenhai Huang[5]用Li2OCCaOCB2O3玻璃微球与0.25 mol/L的K2HPO4溶液在37℃反应120 h，并在600℃下煅烧4 h，进而转化为HA，获得直径100～800μm的中空HA微球。目前采用的水热沉淀法，大都操作烦琐，并且需要加入表面活性剂、有机试剂等，安全性不高，大多不能静脉注射。因此，探索出简易可行，安全性高的HA制备方法很有意义。
1 实验内容
1.1 试剂与仪器
整个实验所用的试剂有天津市百世化工有限公司生产的AR级氯化钙，西陇化工股份有限公司生产的AR级碳酸钠，国药集团化学试剂有限公司生产的AR级磷酸氢二铵，汕头市西陇化工股份有限公司生产的AR级氢氧化钠。实验涉及的仪器为水热釜；恒温烘箱；X射线粉末衍射仪；傅里叶变换红外光谱分析仪；扫描电子显微镜；透射电镜。
1.2 实验过程
①分别精密称取7.3020g氯化钙和5.2718g磷酸氢二铵，分别用去离子水定容到250mL容量瓶，得溶液A和C；精密称取8.4801g碳酸钠，去离子水定容至100mL容量瓶，得溶液B；②取30mL溶液A，加入10mL溶液B，氢氧化钠调pH至7，磁力搅拌1.5h，得到碳酸钙溶液；③取30mL溶液C，氢氧化钠调节pH至10，倒入碳酸钙溶液中，搅拌5min，得混合溶液；④水热反应 将上一步得到的混合溶液倒入水热釜，放入烘箱中，120℃水热反应24h；⑤取出水热釜，自然冷却至室温，滤纸过滤，去离子水洗涤到中性，自然干燥，得HA微球。
2 实验结果与讨论
2.1 XRD表征
HA的整个合成过程涉及多个反应过程，所以样品物相的纯度需要应用XRD进行鉴定。从图1可见各衍射峰峰形尖锐而强，位置和强度与标准羟基磷灰石PDF卡片特征衍射峰完全吻合，表明该法制备合成的羟基磷灰石结晶度好、纯度高。
2.2 傅里叶红外光谱（FTRI）表征
HA结构中重要官能团OH、PO4的特征峰在FTRI中充分地体现出来。如图2所示，图中3568 cm-1属于羟基振动谱带，1024 cm-1属于磷氧伸缩振动谱带，而603 cm-1和569 cm-1归属于磷氧弯曲振动谱带。
2.3 SEM表征、TEM表征及生长机理
制备的HA粉末颗粒尺寸及形貌直接影响到应用。所以采用SEM对样品颗粒尺寸及形貌进行了表征，并与市售的HA进行了比较。由图3（a）可以看出，所制备的HA是由许多纳米级的小球自主装形成5μm左右的小球，粒度较为均匀。而购买的HA形貌为球形，但粒径不均匀[图3（b）所示]，粒径在50μm左右。
图3
进一步采用TEM对制备的样品进行表征[如图3（c）]，发现HA小球端部呈现六方柱习性，符合HA六方晶体结构特征，整个HA粉末晶的生长过程中，可能是反应液中首形成六方柱，然后通过自组装形成纳米球，小球间通过堆积方式形成微孔结构的球簇，有效地提高HA的比表面积及其吸附性能。
3 结 论
本文以球形碳酸钙为硬模板，水热沉淀法合成HA微球。制备方法简单易行，合成产物纯度高，粒径是5μm左右的微孔结构的球簇。与市面上购买的羟基磷灰石相比，粒径更小，更均匀。合成过程中，不添加任何表面活性剂和有机试剂，提高了产物的安全性。
参考文献：
[1]王宇明，刘志辉.纳米羟基磷灰石的制备及表征[J].化工科技，2010，18（6）：13-16.
[2]何晓梅，古莉娜.介孔羟基磷灰石纳米粒子的制备[J].安徽大学学报：自然科学版，2015，39（2）.
[3]K.Ioku，S.Yamauchi，H.Fujimori，et al..Hydrothermal preparation of fibrous apatite and apatite sheet[J].Solid State Ionics，2002，151：147-150.
纳米碳酸钙范文4
开发利用
天然硬石膏的水化研究黎德玲 潘子鹤 刘明亮 周海玲 韩甲兴 郑翠红 (7)
利用柠檬酸石膏液相法生产高强度α-石膏的研究董秀芹 赵建华 王文忠 (10)
填料并用体系对无石棉胶乳抄取板性能的影响熊浩 夏新兴 (14)
高纯斜发沸石的发现及其应用价值黄强 郭银祥 (17)
膨润土生态利用技术创新探讨崔庆刚 (18)
超高分子量聚乙烯/白炭黑复合材料的性能董源 张先 薛俊 曹宏 (20)
天然矿物负载纳米TiO_2复合光催化材料的研究与应用张宁 马正先 刘江 (23)
其他
密友集团建成省级高性能纳米金属粉体工程技术研究中心吴宏富 (16)
试验研究
我国主要膨润土矿床原矿理化性能测试分析研究王新江 马亮 雷建斌 陈媛媛 (26)
河南卢氏官坡伟晶岩中腐锂辉石的特征分析白峰 冯恒毅 邹思劼 刘姣 (29)
超细NiO的制备及表征王学彩 冯颖 (32)
水镁石/TiO_2复合颗粒材料的制备及颜料性能研究姜玮 丁浩 李渊 (36)
酸浸法提取煤矸石中氧化铝的动力学分析周朋朋 舒新前 何菂 (40)
煤矸石燃烧反应动力学研究侯丽华 张代华 张利云 (43)
加工技术与设备
塑料用重质碳酸钙产品精细化与立式磨工艺研究张志宇 秦广超 迟源 李金荣 张新江 邓小林 (45)
超细重质碳酸钙干法加工技术与设备简评方苍舟 杜仁忠 苏宁 (48)
环境工程
磷石膏堆场对周围农田土壤重金属含量的影响李佳宣 施泽明 唐瑞玲 倪师军 (52)
矿产资源
淮北煤系高岭土资源特征及开发利用崔等 (56)
独角山白云岩矿地质特征及开发前景周军 (59)
市场动态
膨润土生产消费与国际贸易王怀宇 (62)
我国碳酸钙工业生产现状及发展建议胡庆福 胡晓湘 宋丽英 (3)
纤维状非金属矿物在造纸工业的应用祝叶 夏新兴 (5)
无
发改委专家：多晶硅价格还将缓慢下行 (7)
负离子—选择性吸附材料的功能与低碳理念丁浩 陈荣坤 (11)
粉碎设备行业巨头联合打造行业航母吴宏富 (47)
开发利用
淳化伊利石粘土的特性及其应用研究马小鹏 杨中英 杨红霞 亓丰源 (8)
碳化硅粉体表面改性研究进展黄文信 张宁 才庆魁 梁斌 王晓阳 阚洪敏 (13)
纳米级SiO2对水泥窑用耐碱浇注料性能的影响刘振英 (17)
碱式氯化镁晶须制备及应用研究进展闫平科 刘江 高玉娟 马正先 (19)
试验研究
填料在聚合物中的气体阻隔贡献模型研究张玉德 刘钦甫 张乾 陆银平 (21)
菱镁矿除钙可选性研究王金良 杨秀花 (26)
天然粉石英超细提纯试验研究葛鹤松 李舟 李浩 蔡有兴 (30)
红砂岩风化机理的有机酸研究蒋晓东 曹建劲 叶进龙 李易安 (33)
膨润土专栏
新疆巴里坤膨润土提纯试验研究陈媛媛 马亮 陈雄祝 王新江 (37)
钻井泥浆用膨润土的试验研究王鸽 郭海盈 谢爱虎 徐光亮 (40)
宜州膨润土工业化生产活性白土的研究李克斯 徐新兰 (43)
JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》相关问题的再讨论郭海盈 (45)
测试技术
库仑滴定法测硫仪在矿石分析中的应用探讨李得强 刘氘 (48)
加工技术与设备
溢流球磨机的节能改造方案许伟 唐新民 吴学俊 王维君 (50)
矿产资源
洛阳非金属矿含矿建造及其研究意义付法凯 汪江河 赵春和 侯恩慧 石毅 (53)
沂南石英砂岩地质特征及其开发利用付西珂 (58)
格尔木三岔玉石矿地质特征及成因分析孔祥福 赵想安 燕永洁 (60)
市场动态
辽宁滑石出口“一高一低”两个难题亟需解决贾岫庄 (62)
纳米碳酸钙范文5
目前有关老年人补钙的产品俯拾皆是，似乎老年人不吃这些补钙产品，就会发生重大的问题。诚然，中国老年人钙摄取量只达到适宜摄入量的三分之一左右，老年人骨质疏松的人数也在不断增多，老年人骨折也是常见问题，老年人急需进行钙的补充。而应该如何安全经济合理有效地补钙，这是困惑许多老年人的问题。
钙是人体不可缺少的矿物质，尤其对维持老年人的骨健康有着重要作用。补钙是不是一定要依赖食物外的钙?
首先来看药物补钙。目前补钙的药物不下200多种，合有的钙基本为碳酸钙(如钙尔奇、盖中盖)、纳米钙、氯化钙、氧化钙(如盖天力、活力钙)、葡萄糖酸钙、L－苏糖钙(如巨能钙)，也有复配的钙(如龙牡壮骨颗粒中含有碳酸钙、葡萄糖酸钙等)，这些药物有的含钙量并不高(7％～54％，大部分在40％左右)，吸收率也不高(约35％左右)，如需要达到所需要的补钙量，就要服用一定量的钙剂。如果服用钙剂过多，可能会产生副作用。如大量服用钙剂，可干扰磷、锌、铁等的吸收利用；某些活性钙制剂是以牡蛎等贝壳煅烧、电解而成的氧化钙、氢氧化钙，其为强碱性物质，大量服用则可引起消化道刺激而产生不适，影响食欲；氯化钙也有损害胃肠道功能的副作用；有的钙剂中添加了枸橼酸、醋酸等，影响了口感，使有些人群难以接受；还有的钙剂或保健品中添加有人造色素、香精或糖精等，对人体的健康可产生不利影响；此外，有的钙剂中添加了较多的糖分矫味，能可影响食欲及营养平衡。身体状况不同的人，选择的钙剂还应有所不同，如碳酸钙不适合胃酸缺乏或正接受噻嗪类利尿降压药治疗的高血压患者者；磷酸钙不适合慢性肾功能不全者；葡萄糖酸钙又不适用于大多数糖尿病患者；此外钙剂还会与甲状腺激素、四环素、皮质类固醇等激素类药物相互作用，对人体产生不利影响。所以用钙剂补钙，并不能随心所欲，任意从市场购得，就可一服即可，而要在正确的指导下服用，才能保障安全服用。
然后，看看补钙保健食品(如牦牛壮骨)和营养素补充剂(善存等)，目前这类产品也不少。许多能补钙的产品并非单一成分，而老年人缺钙也不一定缺乏其他矿物质，如果除补钙外，还全面补充了其他矿物质，也会导致其他营养素比例失衡，影响彼此间的吸收，造成新的营养不良。此外，用骨生产的骨粉(钙)，还存在铅污染的可能性。
上述两种补钙产品中都存在服用过量的可能。目前已研究报道表明，钙剂可使铁的吸收量减少5。％。一次性补钙多，因机体调节的作用，有时反而可降低钙的吸收率。
再看钙强化食品(如钙强化盐)。这些产品虽弥补了盐中钙含量低的不足，但就其合钙量而论，要能满足老年人对钙的要求，可能根本不现实，因为老年人每日只能吃5克以内的盐，从食盐中摄取的钙量非常有限。此外，有些钙强化剂中也存在铅污染的问题。
纳米碳酸钙范文6
【关键词】荷叶效应；结垢机理；涂料
1 荷叶效应
众所周知，清晨或者雨后，水滴落在荷叶上，会以水珠的形式一个一个自由滚动下来，荷叶表面始终都能保持着干爽，而且，水珠在不断的滚动中能够带走附着在荷叶表面上的尘土和一些杂质。为什么会产生这种效应呢？下面我们用传统的、大家熟知的化学分子极性理论来解释，许多化学分子都具有亲水性和憎水性，例如我们生活中所用到的洗衣粉，洗洁精这些必备品都是采用这种原理制作成的。经过分析得知：荷叶的基础化学组成成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，而这些物质中含有丰富的羟基（-OH）、氨基（-NH）等极性基团即亲水性分子，在自然环境中非常容易吸附水分和污渍。而荷叶的叶面却具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动汇集成大致相等的水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸起来，一起“组团”滚出叶面，使叶面始终保持洁净、干爽，这就是著名的“荷叶自洁效应”。为什么这种“荷叶效应”用传统的化学分子极性理论来解释，不仅解释不通，而且恰恰相反呢？荷叶的表面用手去抚摸都可以感觉到它的粗糙程度，它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度（粗糙度），所以，从机械学的光洁度（粗糙度）角度来解释也是行不通的。
20世纪90年代初，经过两位德国科学家的长期观察和研究，终于揭开了荷叶表面产生自洁效应的神秘面纱。通过超高分辨率显微镜可以清晰观察到在荷叶表面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构，这些超微结构是由许多微小的乳突（平均大小约为10微米，平均间距约12微米，直径为200纳米左右。）组成的。它们一个挨着一个密密麻麻的的排布着，就像隆起的小山包，在它们上面长满绒毛。在“小山包”顶端而会长出一个相当于馒头状的凸出点。因为有这样奇特的结构存在，在高起点下面的低谷处就会布满空气，空气下面就是叶子的表面，这样的凹陷一个挨着一个，密密麻麻排列，当其他尺寸大于该结构的物质接触叶片的时候，并不能完全接触叶片的表面，而是被几个点支撑着。水珠在自身的表面张力作用下形成球状，水球不断滚动的同时吸附杂物，最终滚出叶面，这就构成“荷叶效应”的基本原理。如图1所示：
图1 荷叶憎水示意图
2 水垢对金属表面的危害
2.1 结垢的影响
水垢对人类的生产生活造成了巨大的影响，它是一种导热性能极差的化学物质，导热性能为钢材的十分之一到数百分之一，是“百害之源”。下面以水垢对油气田产生的危害做简要说明。
金属管道表面结垢是油气田生产过程中遇到的严重问题之一，水垢常导致油气层伤害、油气井井筒内壁和地面管线内表面阻流、设备损坏等问题出现，使油气开发和油气正常生产受到严重影响。造成了较大的经济损失，而且随着油田最近几十年不断的开采，地下原油的中含水量的不断上升，产生结垢的现象愈来愈明显。造成卡泵，注水、输水系统堵塞。因此，需对金属表面结垢成因机理和影响因素等进行分析研究，以便制定出有效的防垢措施。
2.2 垢的种类
在金属表面最常见的水垢是碳酸钙 、硫酸钙 、硅酸钙、碳酸镁、硫酸镁、氢氧化钙、氢氧化镁垢、铁盐、硅铝垢。
2.3 结垢机理
不同的物质有着不同的结垢机理，下面介绍一下不同物质的结垢机理。
想要了解水垢的成结机理，首先需要知道什么是“硬水”和“软水”，“硬水”是指水中含有钙镁盐类等矿物质。自然界中的湖水、河水、井水和泉水都是硬水。人们生活中用到的自来水是河水、湖水或者井水经过沉降，除去泥沙，消毒杀菌后得到的（在此过程中并没有去除水中的矿物质），也是硬水。“软水”是指不含矿物质的水，刚下的雨雪就是软水。自来水烧开后，一小部分水分蒸发了，本来不好溶解的硫酸钙（含结晶水的硫酸钙就是我们熟知的石膏）沉淀下来。原来溶解在水中的碳酸氢钙和碳酸氢镁，在沸腾的过程中分解，放出二氧化碳，变成难溶解的碳酸钙和碳酸镁（石灰石、白云石的主要成分）也沉淀下来。这就是水垢的来历。用硬水洗衣服的时候，水里的钙镁离子和肥皂结合，生成了脂肪酸钙和脂肪酸镁的絮状沉淀，这就是“豆腐渣”的来历。日常生活中使用硬水洗衣服，会导致洗衣粉的利用率下降。水壶内表面金属层如果形成了水垢，就不容易传导热量，导致燃料的浪费。对于一个家庭来说，这些浪费还不算严重。而对于工业来说，浪费可就不可忽视了。例如供暖公司冬季供暖供汽用的大锅炉，每天要送出几十吨蒸汽，相当于烧干几十吨的水。据试验，一吨河水里含有大约1.6千克矿物质；而一吨井水里的矿物质高达30千克。一天输送几十吨蒸汽，硬水在金属锅炉内壁沉积出的水垢数量，又该多么惊人！
水垢的成结需要经过一个复杂的物理化学过程，即存在内因，又存在外因。内因是水中含有钙、镁离子及其它重金属离子；外因是固态物质从过饱和的炉水中沉淀析出并粘附在金属受热面。当水中的钙、镁等盐类杂质收到高温时，其自身就会产生化学反应，生成不易溶于水的物质。当这些物质在水中的浓度达到一定时，就会成为固体沉淀析出，附着在金属受热面的内壁上，形成一层阻碍热量传递的物质（通常为白色），这层白色物质就是水垢。
组成水垢的物质比较复杂，通常是由一种主要化学成分和其他次要化学成分组成的结合体。按其化学成分可分为碳酸盐水垢、硫酸盐水垢、硅酸盐水垢、氧化铁水垢、含油水垢、混合水垢及泥垢等几种。
2.3.1 碳酸盐结垢机理
碳酸盐垢[CaCO3， MgCO3， Ca（HCO3）2，]是由于钙、镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合而生成的，反应式如：
Ca2++CO32-CaCO3（1）
Mg2++CO32-MgCO3（2）
Ca2++2（OH）-Ca（OH）2（3）
2.3.2 硅酸盐及硫酸盐垢
硅酸盐和硫酸盐垢是由于二价金属阳离子M2+（式中M2+表示 Ca2+，Mg2+，Ba2+等）与硅酸根和硫酸根结合而生成，反应式如下：
M2++SO42-MgSO4（4）
M2++SiO42-MSi04（5）
2.3.3 氢氧化钙和氢氧化镁垢
当水中含有Mg2+和 OH-离子时，二者发生如下反应而生成氢氧化镁 ：
Mg2++2（OH）-Mg（OH）2（6）
若水中含Ca2+较多，也存在氢氧化钙结垢的可能性 ，即：
Ca2++2（OH）-Ca（OH）2（7）
2.3.4 铁盐
当水中含Fe2+和Fe3+，它们与水中 OH-发生反应 ，生成 Fe（OH）2和 Fe（OH）3沉淀。另外，含有铁离子的油水混合物还可能生成FeCO3和Fe2O3等沉积物。
Fe2++2（OH）-Fe（OH）2（8）
Fe3++3（OH）-Fe（OH）3（9）
4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3（10）
2.3.5 硅铝垢
地层中铝含量较高时容易形成硅铝垢。其组分主要有：硅酸钙、硅酸镁、碳酸钙 、硫酸钙、氢氧化镁、氢氧化钙、碳酸镁及铁盐等，这与前面分析的成垢机理相一致。
3 涂料在金属表面的应用
从上面的成垢机理来看，我们不难看出，各种金属和非金属离子都是以游离态的形式溶解在水中，在一定的条件下才能结合。只要保证水分不在金属表面停留就能阻止其在金属表面成垢。关键是如何将金属表面模拟成荷叶表面呢？这要借助一种物质来完成―涂料。
3.1 涂料的组成
涂料主要由四部分组成：成膜物质、颜料、溶剂、助剂。
成膜物质――是涂料最基础的东西，决定着涂料和涂膜的性能，它的功能是粘结涂料中其它组分形成涂膜。成膜物质的种类很多，目前涂料工业使用最多的成膜物质是树脂。树脂是一种无定型状态存在的有机物，通常指高分子聚合物。以往，天然树脂占主导地位，现代合成树脂则被广泛应用。
颜料――它的作用是将涂膜呈现出不同的颜色，使涂膜可以不同程度的遮掩物体本身色彩，现在，广泛应用在装修行业。一些特殊颜料可以提升涂膜的某些特定的性能，所以颜料是涂料的重要组分之一。
溶剂――发挥的作用是，将易溶解的成膜物质溶解，不易溶解的将其组分在溶剂中尽量分布平均，这样操作后利于形成涂膜，溶剂本身又具有较强的挥发性，待涂膜形成后，它便可以从涂膜中以不同的速度挥发到空气中去，所以，从严格意义上讲涂膜中不会含有溶剂，它只承当一个载体作用，而不是涂膜的组成部分。
助剂――它是涂料的一种辅助材料，依靠自身是无法形成涂膜的，但它不像溶剂可以挥发到空气中，而是以成膜物质的一个组成部分保留在涂膜之中，并可以提高涂膜自身的某些性能。根据涂料应具备的性能可选择不同作用的助剂，一种涂料中也可使用多种不同的助剂，以发挥其不同作用。
3.2 涂料的成膜机理
涂料曾被定义为：一种材料，这种材料可以用不同的施工工艺涂覆在物件表面，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜。这样形成的膜通称涂膜，又称漆膜或涂层。这种薄膜属于有机化工高分子材料，按照现代通行的化工产品的分类，涂料属于精细化工产品。不同形态和组成的涂料成膜机理各不相同，涂料所用的成膜物质决定着涂料成膜机理。涂料的成膜方式一般可分为非转化型和转化型，二者有着本质上的区别，前者发生的是物理变化，而后者则是发生化学变化。随着科技的不断发展创新，现代的涂料大多采用多种方式最终成膜。
3.3 涂料的疏水机理
具有疏水性能的自清洁仿生表面引起了人们的普遍关注，科学家在对动植物表面的研究中发现，自然界中通过形成疏水表面来达到自洁功能的现象非常普遍，最典型的如以荷叶为代表的植物叶，因此人们模拟荷叶表面的性质制作了许多涂料，市场上具有荷叶效应的涂料或乳液，大部分是通过降低表而张力来实现的。这种通过降低表而张力，其提高与水的接触角（当液体落在固体表面而未展开时，则液体以一定的形状停留在固体的表面，由固体表面和液体边缘切线形成一个夹角θ，这个角被称为接触角）有限，约能提高至120°左右，例如现在的硅树脂涂料与水的初始接触角约为93°-115°，因此，荷叶效应的结果是有限的，很难达到既保持涂膜干燥，又具有自洁功能。
涂层表面与水的接触角至少要达到130°，这时表而的憎水性才比较明显，水珠在其上面才能不断的滚动，水珠滚动的同时会把落在叶面上的尘土污泥粘吸起来，是涂层表面保持清洁，从而达到“荷叶自洁效应”。在金属表面成膜材料的性能是山其组成和结构决定的。把降低表而张力和形成复杂的多重纳米和微米级的超微结构结合起来，才能取得很好的荷叶效应结果。当接触角在0°-90°之间时，涂膜表面粗糙度大些能使接触角进一步减小，而当接触角在90°-180°之间时，膜表面粗糙度变大能使接触角变大。
（a）θ=0° （b）0°
图2
从图2所示的接触角大小比较容易判断出接触面的憎水性能的好坏。
当θ=0°时，液体完全润湿固体，无拒水作用。
当0°
当 90°
当θ=180°时。固体完全不被润湿。拒水作用优良。
根据表面物理化学中表面平整度对接触角的影响规律可知，如果想增大接触角θ，就要适当增加涂膜表面粗糙度，而现在市场上出售的具有荷叶效应的成膜物质，与液体的接触角θ一般不大于120°，说明其表面粗糙度仍然不够。通过上面对荷叶表面微观结构的分析和荷叶憎水示意图可知，荷叶表面并不光滑，如果要将金属表面打造成真正的荷叶表面，单单依靠一层涂层是不够的，必须要在涂层与金属表面粘结后，在与空气接触面上密密麻麻地排列纳米和微米级的微笑颗粒，这些颗粒的化学组成要与荷叶表面的乳突成分一致或相似，这样就能更加准确的接近荷叶表面的结构。如图3所示：
图3
图3（1）左侧的四分之一处是没有涂膜的金属表面，右侧四分之三处涂了一层成膜物质后，又在成膜物质上面撒上微米级颗粒，当超微颗粒紧密排列时， 水分子无法进入颗粒结构的内部，进而可以在其表面上自由的滚动，如图3（2）所示。但图3（2）所显示的结果也存在许多的缺陷，例如，超微结构物质的选择很受限制；在成膜物质上的超微结构物质的排列不均匀，由于技术的限制不能完全在一个平面上均匀排布；超微结构物质与涂层的结合不紧密，易脱落。
总之，荷叶效应要想在金属表面广泛的应用，还有许多困难需要克服，但是，近些年，科学家模拟荷叶表面制作的不粘锅，其工艺技术日渐成熟，从在金属表面涂一层疏水性的物质（特氟龙）到现在非常先进的钻石渗透技术，无不体现科学的进步，我们相信在不久的将来，荷叶效应在金属表面的应用会越来越广泛，其技术会越来越成熟。
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