輕質系列碳酸鈣關鍵技術（簡體書）

本書以納米碳酸鈣的生產過程為主線，以普通沉澱碳酸鈣和活性沉澱碳酸鈣的生產過程為輔線，以普通工業沉澱碳酸鈣化工行業標準為指南，從生產角度闡述了輕質系列碳酸鈣原料生產、生石灰生產、石灰乳生產、幹法氫氧化鈣生產、碳酸鈣晶形控制、粒徑大小控制、產品增白技術、沉降體積控制技術、游離堿控制技術、碳化與表面改性、脫水和乾燥等生產過程的關鍵技術，以及大型碳酸鈣生產企業資源綜合利用和廢水梯級迴圈利用關鍵技術、高濃度CO2生產納米碳酸鈣關鍵技術等。系統介紹了納米碳酸鈣生產過程的主要設備與自動控制技術。
本書可供碳酸鈣生產企業的工程技術人員、分析檢驗人員、大專院校和科研院所的研究人員閱讀，也可供輕質系列碳酸鈣使用者參考。

顏鑫

株洲市湖南化工職業技術學院化工系，廣東連州市偉信矽灰石有限公司總工程師，廣東連州市裕豐鈣業科技有限公司技術總監，湖南桃江礦山化工有限責任公司技術顧問，黑龍江省牡丹江恆都鈣品有限公司技術總監，教授，1990年畢業於湘潭大學化學系化學專業，獲理學學士；1992年，湖南省資江氮肥廠脫產掛職煅練一年。2004年畢業於湘潭大學化工學院化學工程專業，獲工學碩士學位；1996年被評為講師，2001年被評為副教授，2008年晉升教授。
主要研究方向：化工工藝與無機納米粉體材料製備與改性研究。
主要研究成果：申報發明專利兩項，在化學工業出版社出版專著三部（共計106萬字），主編出版石油與化學工業規劃教材一部（48萬字），公開發表專業論文三十多篇（中文核心期刊14篇、國家二級學術期刊8篇，CSCD核刊5篇），主持廣東省－教育部產學研結合項目一項，主持橫向課題多項。

1輕質碳酸鈣工業概述1
1.1輕質碳酸鈣工業歷史和現狀1
1.1.1世界輕質碳酸鈣工業的發展歷史和現狀1
1.1.2中國輕質碳酸鈣工業的發展歷史和現狀3
1.1. 3中國納米碳酸鈣工業的發展歷史和現狀6
1.2碳酸鈣的分類及其鑑別方法8
1.2.1碳酸鈣工業的分類8
1.2.2按照是否進行表面處理分類9
1.2.3按其專門的用途分類9
1.2.4按照輕質碳酸鈣的不同晶形和形貌分類10
1.2.5按粒徑進行分類15
1.3輕質碳酸鈣的主要技術指標15
1.3.1普通輕鈣、活性輕鈣、專用納米鈣的主要質量控制指標比較15
1.3.2輕質碳酸鈣的主要技術指標分析比較16
1.4納米碳酸鈣與普通輕鈣和活性輕鈣的工藝比較20
1.4.1工藝流程圖的比較20
1.4.2工藝條件的比較24
1.4.3納米碳酸鈣與普通輕鈣的性能比較25
1.5輕質碳酸鈣產品的物化性質26
1.5.1輕質碳酸鈣產品的物理性質26
1.5.2輕質碳酸鈣產品的主要化學性質27
1.6納米碳酸鈣產品的主要納米特性29
1.6.1量子尺寸效應及其主要表現30
1.6.2表面效應的主要表現31
1.6.3小尺寸效應的主要表現32
1.6.4宏觀量子隧道效應的主要表現35
2輕質（納米）碳酸鈣的關鍵生產技術36
2.1輕質(納米)碳酸鈣產品對生產原料的關鍵要求36
2.1.1對石灰石的關鍵要求36
2.1.2輕質(納米)碳酸鈣生產對燃料的關鍵要求39
2.1.3輕質(納米)碳酸鈣對生石灰的關鍵要求42
2.1.4輕質(納米)碳酸鈣對碳化氣的關鍵要求42
2.1.5輕質(納米)碳酸鈣對工藝用水的關鍵要求43
2.2輕質(納米)碳酸鈣對生石灰生產的關鍵技術44
2.2.1石灰石的塊度與煅燒時間、溫度的關係44
2.2.2石灰石煅燒速率與溫度關係45
2.2.3對固體燃料塊度的要求47
2.2.4石灰石煅燒與風量的關係47
2.2.5輕燒石灰與過燒石灰49
2.2.6石灰窯的熱效率與燃料配比50
2.2.7自動上料石灰窯的自動控制系統50
2.2.8石灰活性與原生碳酸鈣的關係51
2.2.9石灰石煅燒質量控制關鍵技術51
2.2.10石灰立窯的操作規程52
2.2.11石灰立窯常見故障及其處理技術54
2.3消化的關鍵技術55
2.3.1石灰消化的基本原理與工藝流程55
2.3.2石灰乳製備及精製的關鍵技術56
2.3.3石灰乳波美度與質量百分濃度的關係57
2.3.4熟漿波美度與質量百分濃度的關係59
2.3.5消化過程工藝條件的優化59
2.3.6精漿陳化的關鍵技術62
2.3.7干法氫氧化鈣生產的關鍵技術63
2.4碳化過程的關鍵技術64
2.4.1結晶導向的關鍵技術64
2.4.2分散的關鍵技術67
2.4. 3碳化過程質量控制的關鍵技術69
2.4.4碳化工藝控制的關鍵技術74
2.4.5熟漿陳化的關鍵技術78
2.5表面改性的關鍵技術79
2.5.1表面活化改性的必要性79
2.5 .2碳酸鈣分子的結構模型80
2.5.3活性碳酸鈣的結構模型示意圖81
2.5.4活化機理探討84
2.5.5常用的表面活性劑和改性方法85
2.5.6表面活性劑的選擇原則93
2.5.7碳酸鈣的表面處理工藝95
2.5.8納米碳酸鈣表面改性新技術101
2.5.9國內表面活化改性技術的現狀及存在問題104
2.5.10我國納米碳酸鈣表面改性技術的發展方向106
2.6脫水與乾燥關鍵技術108
2.6.1納米碳酸鈣脫水關鍵技術108
2.6.2納米碳酸鈣乾燥關鍵技術108
2.7輕質(納米)碳酸鈣生產過程常見質量問題及處理關鍵技術119
2.7.1漿液(熟漿)質量百分濃度與波美度的關係處理不當119
2.7.2輕質碳酸鈣生產鹼度偏高的原因及控制措施121
2.7.3PCC白度控制及化學增白關鍵技術123
2.7.4輕鈣生產過程降鎂關鍵技術124
2.7.5沉降體積大小的控制關鍵技術125
2.7.6粒度大小控制技術126
2.8大型碳酸鈣企業資源綜合利用共性與關鍵技術127
2.8.1鈣化工系列產品的金字塔規劃127
2.8.2大型碳酸鈣礦山資源綜合利用核心工藝128
2.8.3石灰煅燒燃料選擇與原煤處理核心工藝流程132
2.8.4大型碳酸鈣企業廢水梯級循環利用及零排放新工藝133
2.9高濃度CO2生產納米碳酸鈣的關鍵技術138
2.9.1高濃度CO2生產納米碳酸鈣的有利條件分析138
2.9.2高濃度二氧化碳聯產納米碳酸鈣的工藝流程142
2.9.3高濃度CO2生產納米碳酸鈣的生產技術特點142
2.10納米碳酸鈣、普通輕鈣、磚胚聯合生產綠色新工藝143
2.10.1納米碳酸鈣生產過程中的三廢數量144
2.10.2納米碳酸鈣、普通輕鈣、磚胚聯合生產綠色新工藝146
3生產輕質(納米)碳酸鈣的主要設備149
3.1石灰石原料準備工段的主要設備149
3.1.1石灰石原料的特點149
3.1.2石灰石的礦石開採149
3.1.3石灰石選礦與加工的生產流程150
3.1.4選礦與加工設備151
3.2石灰窯及其附屬設備154
3.2.1石灰窯的選擇154
3.2.2主要附屬設備156
3.2.3窯氣淨化系統工藝及主要設備157
3.2.4直線振動篩160
3.2.5THG型高效斗式提昇機161
3.3消化機的選擇161
3.3.1輕質(納米)碳酸鈣生產對消化機的基本要求162
3.3.2箱式消化機的結構特點162
3.3.3迴轉式後排消化機163
3.3.4消化機的自動控制164
3.4漿液精製設備166
3.4.1初級分離設備166
3.4.2多級旋液分離器167
3.5鼓泡碳化塔及窯氣壓縮設備的選擇168
3.5.1鼓泡碳化塔的選擇168
3.5.2空壓機和羅茨鼓風機的選擇169
3.5.3製冷機的選擇170
3.6增濃脫水及設備的選擇172
3.6.1斜板增濃器172
3.6.2固液分離設備173
3.7乾燥設備的選擇176
3.7.1輕鈣專用導熱油加熱滾筒連續乾燥機176
3.7.2盤式連續乾燥器179
3.7.3旋轉閃蒸乾燥器180
3.7.4鏈(帶)式乾燥器181
3.7.5槳葉式乾燥機182
3.7.6LXG型螺旋輸送機183
3.8干法改性設備183
3.8. 1CM型連續式粉體複合改性機的結構特點184
3.8.2CM型連續式粉體複合改性機的特點184
3.8.3CM型連續式粉體複合改性機的工作原理184
3.9解聚篩分及包裝設備186
3.9.1QS160型氣流篩分機186
3.9.2自動定量包裝機的工作原理187
4三級連續加壓鼓泡碳化新工藝189
4.1三級連續加壓鼓泡碳化法的局部流程、說明及其分析189
4.1.1工藝流程說明189
4.1.2工藝流程特點分析190
4.1.3三級連續鼓泡碳化新工藝的優勢與不足194
4.2三級連續加壓鼓泡碳化法的理論基礎195
4.2.1碳化反應是氣液固\[Ca(OH)2(s)\]固\[CaCO3 (s)\]四相反應體系195
4.2.2連續鼓泡碳化塔為擬平推流反應器195
4.2.3碳化過程的化學反應機理196
4.2.4碳化過程的傳質模型四膜模型199
4.3連續鼓泡碳化法的工藝流程205
4.4碳化反應過程工藝條件分析205
4.4.1碳化反應溫度對產品晶形和粒徑的影響205
4.4.2漿液濃度對產品晶形和粒徑的影響206
4.4.3CO2氣體的濃度對產品晶形和粒徑的影響208
4.4.4碳化氣體流量對產品平均粒徑和反應時間的影響209
4.4.5晶形導向劑的加入時間對碳酸鈣晶形和粒徑的影響209
4.4.6攪拌速度對碳酸鈣晶形和粒徑大小的影響211
4.5連續鼓泡碳化過程物料衡算212
4.5.1消化過程的物料衡算212
4.5.2石灰乳的配製213
4.5.3碳化過程的物料衡算213
4.5.4活性劑的物料衡算214
4.5.5碳化後處理工序的物料衡算214
4.5.6主要物料衡算表215
4.6連續鼓泡碳化新工藝的熱量衡算215
4.6.1連續消化機的熱量衡算215
4.6.2副產蒸汽的連續消化罐的熱量衡算216
4.6.3碳化塔的熱量衡算218
4.6.4帶式串閃蒸二級乾燥系統的熱量衡算219
5輕質(納米)碳酸鈣聯合生產新工藝222
5.1中小型氮肥廠聯產輕質（納米）碳酸鈣關鍵技術222
5.1.1中型氮肥廠聯產輕質（納米）碳酸鈣可行性分析222
5.1.2中型氮肥廠聯產輕質（納米）碳酸鈣碳化過程的化學反應機理及分析223
5.1.3碳化過程的終點判斷224
5.1.4尿素生產過程的未反應氣對碳化反應速率和產品質量的影響225
5.1.5中型氮肥廠聯產納米碳酸鈣的新工藝流程及流程分析225
5.1.6小氮肥廠聯產輕質碳酸鈣新工藝228
5.1.7氮肥廠聯產納米碳酸鈣的應用前景231
5.2電石渣聯產輕質(納米)碳酸鈣的關鍵技術231
5.2.1電石渣的應用研究綜述232
5.2.2用電石渣製備輕質(納米)碳酸鈣的基本原理233
5.2.3電石渣聯產輕質(納米)碳酸鈣工藝流程234
5.2.4電石渣生產輕質(納米)碳酸鈣工藝流程235
5.2.5電石渣聯產輕質(納米)碳酸鈣的應用前景236
5.3硝酸廠聯產輕質(納米)碳酸鈣關鍵技術236
5.3 .1硝酸廠聯產輕質(納米)碳酸鈣的可行性和有利條件236
5.3.2“三聯產綠色新工藝”流程238
5.3.3硝酸廠聯產納米碳酸鈣的效益分析239
5.4純鹼廠聯產輕質(納米)碳酸鈣241
5.4.1聯鹼廠聯產輕質(納米)碳酸鈣的可行性與優勢242
5.4.2“四聯產綠色新工藝”流程與特點242
5.4.3“四聯產綠色工藝”的效益分析244
5.5紙廠鍋爐尾氣聯產造紙專用PCC新工藝246
5.5.1紙廠鍋爐尾氣聯產造紙專用PCC新工藝246
5.5.2紙廠鍋爐尾氣聯產造紙專用PCC關鍵技術247
5.5.3紙廠鍋爐尾氣聯產造紙專用PCC新工藝經濟效益分析248
5.6高檔捲菸紙專用PCC生產關鍵技術249
5.6.1高檔捲菸紙專用PCC平均粒徑及粒度分佈控制技術250
5.6. 2高檔捲菸紙專用PCC的沉降體積控制技術252
5.6.3游離鹼控制技術256
5.7鹵水淨化工藝中PCC回收質量控制關鍵技術256
5.7.1目前石灰煙道氣鹵水淨化工藝的缺陷257
5.7.2鹵水淨化工藝中PCC回收質量控制關鍵技術257
6輕質(納米)碳酸鈣生產過程檢驗與分析關鍵技術261
6.1初級原料檢驗與分析關鍵技術261
6.1.1石灰石分析關鍵技術261
6.1.2煤焦分析關鍵技術265
6.1.3水分析關鍵技術268
6.2二級原料檢驗與分析關鍵技術274
6.2.1生石灰質量檢驗與分析關鍵技術274
6.2.2碳化氣各組分檢驗與分析關鍵技術274
6.3中間產品檢驗與分析關鍵技術284
6.3.1石灰乳檢驗與分析關鍵技術284
6.3.2碳化過程中碳酸鈣懸乳液碳化度的測定286
6.3.3碳酸鈣濾餅及乾燥過程中水分的測定286
6.4納米碳酸鈣產品質量的檢驗與分析關鍵技術287
6.4.1納米碳酸鈣產品質量的國家標準287
6.4.2納米碳酸鈣產品應用性能指標的檢驗與分析關鍵技術287
6.5分析檢驗儀器一覽292
7輕質(納米)碳酸鈣應用關鍵技術293
7.1輕質(納米)碳酸鈣在塑料工業中應用的關鍵技術293
7.1.1輕質(納米)碳酸鈣填料在塑料中的重要作用293
7.1.2輕質(納米)碳酸鈣在塑料中填充的關鍵技術295
7.1.3塑料母料關鍵技術296
7.1.4輕質(納米)碳酸鈣在塑料工業中應用的前景299
7.2輕質(納米)碳酸鈣填充在橡膠製品中的關鍵技術300
7.2.1輕質(納米)碳酸鈣在橡膠中的填充作用300
7.2.2輕質(納米)碳酸鈣在橡膠中填充的關鍵技術300
7.2.3輕質(納米)碳酸鈣在橡膠工業中的應用前景301
7.3輕質(納米)碳酸鈣在膠黏劑、密封膠工業中應用的關鍵技術301
7.3.1輕質(納米)碳酸鈣用在膠黏劑、密封膠中的作用301
7.3.2膠黏劑、密封膠中對納米碳酸鈣的幾個關鍵技術要求302
7.3.3輕質(納米)碳酸鈣在膠黏劑、密封膠工業中應用的前景303
7.4輕質(納米)碳酸鈣在塗料工業中應用的關鍵技術304
7.4.1輕質(納米)碳酸鈣填充在塗料中的作用304
7.4.2輕質(納米)碳酸鈣在塗料工業中應用的關鍵技術304
7.4.3輕質(納米)碳酸鈣在塗料工業中應用的前景305
7.5輕質(納米)碳酸鈣在造紙工業中應用的關鍵技術305
7.5.1輕質(納米)碳酸鈣在紙張中的重要作用305
7.5.2輕質(納米)碳酸鈣在造紙工業應用的關鍵技術306
7.5.3輕質(納米)碳酸鈣在造紙工業的應用前景309
7.5.4風頭正勁的“石頭紙”生產技術310
7.6納米碳酸鈣在油墨工業中應用的關鍵技術314
7.6.1納米碳酸鈣在油墨工業中的重要作用314
7.6.2油墨工業對納米碳酸鈣的個性化要求314
7.6.3影響納米碳酸鈣在油墨中應用的關鍵技術315
7.6.4納米碳酸鈣在油墨工業中的應用前景316
7.7輕質(納米)碳酸鈣在保健食品、飼料工業、醫藥工業與日化應用的關鍵技術316
7.8在針狀矽灰石晶體表面納米修飾應用的技術317
7.8.1矽灰石針狀纖維表面納米化修飾及改性工藝流程318
7.8.2產品性能測試319
7.8.3矽灰石針狀纖維表面納米化修飾及改性產品應用的前景326
8納米碳酸鈣安全生產與環境保護關鍵技術327
8.1納米碳酸鈣安全生產關鍵技術327
8.1.1工藝過程安全生產關鍵技術327
8.1.2碳酸鈣生產的化工單元安全技術330
8.2碳酸鈣生產的環境保護關鍵技術334
8.2.1碳酸鈣生產中的粉塵及其治理334
8.2.2碳酸鈣生產中的廢水及其治理338
8.2.3碳酸鈣生產中的廢渣及其治理339
9輕質系列碳酸鈣生產技術的未來展望341
9.1我國輕質系列碳酸鈣工業存在的主要問題341
9.1.1結構與規模問題341
9.1.2體制與技術問題342
9.1.3工藝和工程設計問題342
9.1.4企業管理與人員素質問題343
9.2碳酸鈣依然是朝陽工業343
9.2.1從發達國家來看碳酸鈣行業343
9.2.2從中國的角度來看碳酸鈣行業發展前景345
9.3納米碳酸鈣生產技術的發展展望346
9.3.1管理要科學化、系統化346
9.3.2設備要現代化、精密化347
9.3.3人員要知識化、專業化349
9.3.4產品要係列化、精細化349
9.3.5活化技術複合化350
9.3.6乾燥工序組合化350
9.3.7系統工程化351
9.3.8應用研究與基礎理論研究要雙管齊下351
附錄一碳酸鈣生產常用數據353
1. CO2在水中的溶解度(101.3kPa)353
2.氫氧化鈣在水中的溶解度353
3.碳酸鈣在15℃水中的溶解度354
4. Ca(OH)2和CaCO3的密度與質量分數對照(25℃)354
5.常用液體的重要物理性質(20℃, 101.3kPa)354
6.目數與粒度(微米)對照表(美國標準)355
7.常用篩網規格型號(平織)355
8.常用篩網(材料為304或316)規格型號(斜織) 355
9.幹空氣的物理性質(101.3kPa)356
10.常用氣體的重要物理性質(101.3kPa)356
附錄二普通工業沉澱碳酸鈣化工行業標準(HG/T2226—2010)358
附錄三工業活性沉澱碳酸鈣化工行業標準(HG/T 2567—2006)370
附錄四納米碳酸鈣國家標準(GB/T 19590—2011)378
參考文獻385

1.6納米碳酸鈣產品的主要納米特性
納米碳酸鈣是指碳酸鈣粉體至少有一維粒度控制在1~100 nm的碳酸鈣分子聚合體，其粒子尺度處於團簇分子和宏觀物體交替的過渡區域。納米碳酸鈣所具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，在磁性、催化劑、光熱阻和熔點等方面表現出與普通輕質碳酸鈣所不同的奇異或反常的物理、化學特性，例如：增韌性、補強性、透明性、觸變性、流平性和消毒殺菌等應用方面的特殊性能，隨著對其應用研究的深入而逐漸被人們撩開了其神秘面紗，極大地激發了國內外廣大科技人員的研究興趣。
1.6.1量子尺寸效應及其主要表現
當粉體粒子尺寸下降到某一值時，費米能級附近的電子能級由準連續轉變為離散能級的現象，能級間距離變寬，引起吸收帶移向短波長方向，使材料呈現出量子尺寸效應。或納米半導體微粒存在不連續的被佔據分子軌道和低未被佔據的分子軌道能級，其能隙變寬現象均稱為量子尺寸效應。量子尺寸效應會導致納米粒子在磁、光、聲、熱、電以及導電性與宏觀特性有著顯著的不同。同時處於分立的量子化能級中電子的波動性給納米粒子帶來一系列特殊性質，如高的光學非線性，特異的催化和光催化性、強氧化性和還原性等。納米碳酸鈣應用於塗料工業、橡膠製品、塑料製品時所表現出的量子尺寸效應如下。
①納米碳酸鈣應用於塗料工業所表現出來的特殊應用性能
應用於乳膠漆中時，由於吸收光譜發生藍移現象，使乳膠漆可以起到屏蔽外光，起到隔熱的效果，塗層的抗老化性能得到了加強。將納米碳酸鈣應用到外牆塗料中時，塗層展現出優異的疏水性、抗裂強度和耐污染性等。納米碳酸鈣具有空間位阻效應，在製漆中能使配方中密度較大的立德粉懸浮，起到防沉降的作用；製漆後，漆膜白度增加，光澤度增大，而遮蓋力卻不降低，主要用於高檔轎車面漆。
②納米碳酸鈣應用於橡膠製品時所表現出來的極強的化學活性和防臭、防毒、防黴功效
通過特殊工藝處理，納米碳酸鈣表面極具活性，在陽光、紫外線照射下能夠分解出自由移動的帶負電的電子，同時留下帶正電的空穴，這種空穴具有極強的化學活性，極易與氧或有機物發生化學反應，殺死一些病毒和細菌。因此，納米碳酸鈣應用於橡膠、裝飾橡膠製品中，具有防臭、防毒、防黴功效。
③納米碳酸鈣應用於塑料製品時所表現出良好的電絕緣性
導電的金屬在微顆粒狀態時可以變成絕緣體，其光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。碳酸鈣在水中的溶解度雖然很小，但被溶解的碳酸鈣全部電離，所以碳酸鈣是強電解質，但改性納米碳酸鈣卻是一種良好的電絕緣體，其體積電阻大於4×1012 Ω/ m。因此，納米碳酸鈣填充於PVC塑料後，還能大大提高PVC的電絕緣性能。
1.6.2表面效應的主要表現
微粉材料的比表面積與其粒徑的平方成反比，即粒徑越小，其比表面積越大。以立方體納米碳酸鈣為例來說明其顆粒邊長與比表面積和總面積的關係見表1-8。
表1-8立方體顆粒的邊長與比表面積、比體積的關係
粒子邊長a顆粒數b/個質量/g總表面積(6a2×b)/m2比表面積/(m2/g)
1 mm 1 2.68 ×10一3 6×10一6 0.00224
0.1 mm 1×103 2.68×10一3 6×10一5 0.0224
0.01 mm 1×106 2.68×10一3 6×10一4 0.224
1 μm 1×109 2.68×10一3 6×10一3 2.24
0.1 μm 1×1012 2.68×10一3 6×10一2 22.4
0.01 μm 1×1015 2.68×10一3 0.6 224
可見，納米碳酸鈣的比表面積與粒徑的平方成反比，即粒徑越小，其比表面積越大，說明粉體粒子表面原子所佔的百分數將會顯著地增加。對直徑大於0.1 μm的顆粒表面效應可忽略不計，當尺寸小於0.1 μm時，其表面原子百分數激劇增長。當納米碳酸鈣的粒徑小於10 nm，其表面原子和體內原子的數目之比幾乎達到50%。由於納米碳酸鈣表面效應的存在，使得表面原子處於“裸露”狀態，周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，產生的離域電子在表面和體相之間重新分配，化學鍵強度增大，從而導致紅外光譜發生藍移，並易與其他原子結合而穩定下來，具有較高的化學活性。1 g微顆粒表面積的總和可高達100 m2以上，這時的表面效應將顯著影響納米碳酸鈣的生產和應用性能。
①普通輕質碳酸鈣的沉降體積要明顯小於納米碳酸鈣（表面改性以前）的沉降體積
活性輕質碳酸鈣表面改性所需要消耗的表面活性劑要明顯小於活性納米碳酸鈣表面改性所需表面活性劑，這都是因為納米碳酸鈣比普通輕質碳酸鈣具有更大的比表面積。碳酸鈣粒徑與沈降體積和表面活性劑用量的關係見表1-9。
表1-9碳酸鈣粒徑與沈降體積和表面活性劑（以硬酯酸鈉為例）用量的關係
碳酸鈣粒徑範圍/μm比表面積範圍/(m2/g)沉降體積/(mL/g )表面活性用量/%
1～3 5以下2.4～2.8 1～1.5
0.1左右20左右3.0～4.0 2.0左右
0.04～0.08 20～30 5.0～6.0 2～3
0.01～0.03 30～60 ＞7.0 ＞4
可見，碳酸鈣粒徑越小，其比表面積就越大，表面活性劑用量越多，其沉降體積也越大。納米碳酸鈣在生產過程中表現為粒徑越小，過濾脫水越困難，乾燥條件越苛刻，乾燥成本遠高於普通輕質碳酸鈣；在應用過程中表現為分散性變差、團聚現象較普遍，難以充分體現出其納米特性，使納米粒子的優勢難以得到應有的發揮，甚至難以使用。
②製備過程中容易聚集和團聚
從而使已製備出的納米碳酸鈣一次粒子容易重新聚合為大顆粒的碳酸鈣二次粒子，經表面改性處理後的納米碳酸鈣粒子一般形成“軟團聚”，在應用過程中可通過機械剪切和聲波振盪可以解開這種“軟團聚”。納米級碳酸鈣粉末比表面積很大，易於吸附氣體、空氣中水分、介質或與其物質，從而失去原來的表面性質，導致粘連與團聚，還有因其極高的表面能和較大的接觸界面，使晶粒生長的速度加快。
③非改性的納米碳酸鈣在應用過程中分散性差
這是由於其親水疏油的性質使得碳酸鈣與有機高聚物的親和性差，易形成聚集體，造成在高聚物內部分散不均勻，從而造成兩種材料間界面缺陷，直接應用效果不好，並且隨著填充量的增加，這些缺點更加明顯，過量填充甚至導致製品無法使用。
④其他
改性後的納米碳酸鈣填充在橡膠、塑料、高級油墨、塗料中時，其很大的比表面積和高比表面能有利於碳酸鈣顆粒與有機高聚物分子之間的結合牢固，能使製品表面光艷和具有優異的補強性能等特性。
1.6.3小尺寸效應的主要表現
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。
1.6.3.1特殊的光學性質
當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸愈小，顏色愈黑。然而，納米碳酸鈣作為一種納米無機鹽粉體材料，當均勻壓實在兩塊透明玻璃之間時，表現出比較典型的半透明性狀。納米碳酸鈣的特殊光學性質在應用過程中表現如下。
a.填充在橡膠製品中，表現出良好光澤或透明性能，可以製得透明或半透明橡膠製品。
b.在塗料工業中，添加納米碳酸鈣的塗料可以抵抗紫外線，提高塗料油漆的光澤度；作為顏料填充劑，具有細膩、白度高、光學性能好等優點。
c.在塑料製品中，提高塑料薄膜的透明度、光澤度，賦予其細膩光滑的手感，還可改進其散光性等。
d.在油墨產品中表現出優異的分散性、透明性、極好的光澤和遮蓋力。
1.6.3.2特殊的熱學性質
大尺寸固態物質，其熔點是固定的，細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10 nm量級時尤為顯著。對碳酸鈣來說不存在熔點，因為加熱到一定的溫度後將分解為氧化鈣和二氧化碳，只存在分解溫度，對碳酸鈣粉體來說，其顆粒粒徑越小，其分解溫度越低。岳林海等的研究表明，納米碳酸鈣晶格中存在較大的畸變應力，並認為這可能是導致其反常熱分解特性的原因。Andersen等對納米碳酸鈣的FTIR研究發現了碳酸鈣的特徵吸收峰（1415 cm－1附近）發生紅移（1450 cm－1附近）和變窄現象。此外，納米碳酸鈣的熱學性質還表現在耐熱性、抗老化性、熱變形溫度、尺寸穩定性及熱導率等與普通碳酸鈣粒子的差異。
a.分解溫度降低。普通碳酸鈣分解活化能的測得值約為200 kJ/mol左右，分解溫度為898℃；納米碳酸鈣表觀分解活化能降低到120～130 kJ/mol，分解溫度也將降低到528℃，降低了297℃，這歸結於納米碳酸鈣微晶具有較大的表面自由能、明顯的畸變和應力。唐艷軍等還把納米碳酸鈣熱分解溫度降低的原因歸功於納米碳酸鈣粒子非晶化程度增加，晶格中存在晶格畸變應力，使晶體中的聯結強度減弱，從而引起碳酸鈣晶體熱分解溫度降低；其次是納米碳酸鈣晶體內的反應熱引起晶粒的內能增加，晶體內部格點的振動加強，從而產生振動應力波，促進晶粒的熱效應，使碳酸鈣晶格內的離子鍵較易斷裂而分解，終導致其熱分解溫度降低。
b.提高其塑料製品的耐熱性、抗老化性、熱變形溫度和尺寸穩定性，同時還賦予塑料滯熱性。使納米塑料具有良好的熱穩定性、高阻隔性、高阻燃窒息性、高強度等物理力學性能，成為複合材料發展的尖端產品之一。
c.納米碳酸鈣應用於膠黏劑中可以增加其熱導率，提高其耐熱性能。
d.王澤紅等製備出了針狀納米碳酸鈣用於熱感應紙，具有噪音小，無需油墨顯像液，可提高紙張白度，不透明性和平滑性。
1.6.3.3特殊的力學性質
納米碳酸鈣特殊的力學性質主要表現在其應用過中，填充在橡膠、塑料、塗料、黏合劑中的增韌、補強和半補強作用。唐艷軍等用X射線衍射手段對納米碳酸鈣的晶體場效應進行了較深入的研究。他們的研究表明，隨著碳酸鈣粒子粒度的減小，其界面張力顯著增大，界面引起的對晶粒組元的負壓強使得晶粒的微結構發生變化，從而引起晶格發生膨脹，而晶格膨脹又將引起較大的晶格格畸變和應變能。根據X射線衍射理論，晶格應畸變應力的大小反應了原子偏離理想晶體的程度，而且，晶粒越小，其畸變程度越大，原子缺陷越多，其晶面衍射峰強度越大。
a.納米碳酸鈣用作塑料填料時，具有增韌增強的作用，提高塑料的彎曲強度、彎曲彈性摸量、穩定性、硬度和剛度，改進塑料的加工性能、緻密性、抗擦傷性、塑料薄膜的韌性、防水性等性能，對提高缺口抗衝擊強度和無缺口衝擊強度的增韌效果及混煉過程中的粘流性等方面都具有明顯的效果。
碳酸鈣增強型納米塑料是其中研究多的一種新型塑料，納米碳酸鈣在PP、PE、PVC等體系的應用均有報導：李東明等分析PP/CaCO3體系的三點彎曲應力-應變曲線，發現納米碳酸鈣使PP體係由脆性斷裂轉為韌性斷裂。葉林忠等研究了規格分別為1.8 μm，100 nm，10 nm的碳酸鈣對PVC的改性效果，發現10 nm的碳酸鈣增韌效果好。羅忠富等用納米碳酸鈣對HDPE進行改性，當納米粒子質量分數在4%~6%時，複合材料的衝擊強度較純HDPE提高一倍，屈服強度和模量也均有提高。王文一等在納米CaCO3/EPR/PP複合體系中，納米CaCO3粒子的加入，不但使衝擊強度顯著提高，而且使彎曲彈性模量顯著提高。納米CaCO3粒子的增韌機理在於納米CaCO3粒子的加入使彈性體EPR的分散更加均勻，EPR顆粒的粒徑變小，進而與納米CaCO3粒子產生協同增韌的作用。
b.納米碳酸鈣應用於汽車底盤PVC抗石擊塗料及面漆、車用密封膠等；PVC汽車底盤塗料主要是由PVC樹脂、增塑劑、顏料、填料和其他助劑組成，其中納米碳酸鈣的加入對體系的流變性能和膜的抗衝性能等會有很大的改善，而納米碳酸鈣的晶形，粒徑以及表面物理化學性能對塗料體系的性能影響很大。成膜前，直接影響著體系黏度、觸變性能以及塗料的施工性能；成膜後，它在膜中除了增加強度外還提高PVC的玻璃化溫度。作為一種改善塗料流變性能的助劑使用，這就要求納米碳酸鈣產品具有高觸變性，抗流掛等施工性能。納米碳酸鈣還具有提高塗料油漆的遮蓋力及賦予塗料透明、穩定、快乾等特性，還有明顯的補強作用。
c.添加納米碳酸鈣橡膠的硫化膠伸長率、撕裂性能、壓縮、變形和耐撓曲性能都比添加普通碳酸鈣的好。當納米粒子均勻分散在基體中，當基體受到衝擊時，粒子與基體間產生微裂紋（銀紋）；同時粒子之間的基體也產生塑性形變，吸收衝擊能，從而達到增韌的效果。隨著粒子粒度變細，粒子的比表面積增大，粒子與基體之間接觸界面增大，材料受到衝擊時，會產生更多的微裂紋和塑性變形，從而吸收更多的衝擊能，增韌效果提高。在橡膠混煉過程中，部分鎖鏈狀的鏈被打斷，會形成大量高活性表面或高活性點，它們與橡膠長鏈形成鍵連結，不僅分散性好，而且大大增強了補強作用，因此是目前公認的在橡膠中補強性能好的納米碳酸鈣產品。納米碳酸鈣屬於典型的無機粒子，其填充在橡膠、塑料、塗料等所表現出的補強性能和增韌效果都是納米碳酸鈣粒子所具備的特殊力學性能。
d.納米碳酸鈣應用於膠黏劑中，屬於結構和增強型填充劑，極大地提高了膠的黏合性、拉伸強度、模量、硬度，降低其固化時的收縮率、熱膨脹係數和黏著力，提高其機械強度（硬度和壓縮強度）及耐腐蝕性能；還可以對膠黏劑起到潤滑作用，改善操作的工藝條件，使膠黏劑的力學性能得到全面提高。納米碳酸鈣作為聚矽氧烷密封膠的填充劑、增強劑，可以改善製品的加工性能，極大地提高膠的拉伸強度，撕裂強度等力學性能，通過對納米碳酸鈣晶形、粒徑及表面處理的控制，從而使製品獲得優良的觸變性能和抗流掛性能。
1.6.4宏觀量子隧道效應的主要表現
電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。
生產過程中，量子隧道效應主要表現為納米碳酸鈣粒子易於發生團聚現象，而團聚發生的機理是由於碳酸鈣表面電荷的轉移和界面原子的相互耦合，使其發生相互作用和固相反應而團聚。
應用過程中，在自然光線照射及一定的濕度下，納米碳酸鈣的量子隧道效應可以激活空氣中的氧，使之具有較強的化學活性，能與多種有機物發生氧化反應（包括細菌內的有機物），從而把大多數病菌和病毒殺死，因而用於水性乳膠漆中可以製成抗菌、除臭的“綠色環保”產品；用在建材產品，如衛生潔具、室內空間、用具中，還可產生殺菌、保洁效果。
對納米碳酸鈣的四大納米效應在生產和應用過程中主要宏觀表現的研究目前還處於初級探索階段，有待廣大納米碳酸鈣生產、研究、應用方面的工程技術人員和研究人員進一步挖掘和整理，這對進一步拓展納米碳酸鈣的應用領域、不斷優化其生產工藝參數、突出其應用過程的納米特性、提升其產品品質等都具有一定的指導意義。