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導讀：碳酸鈣是一種無機化合物，CaCO₃俗稱：灰石、石灰石、石粉、大理石等。主要成分：方解石，是一種化合物，化學式是CaCO₃，呈中性，基本上不溶於水，溶於鹽酸。它是地球上常見物質，存在於霰石、方解石、白堊、石灰巖、大理石、石灰華等巖石內，亦為動物骨骼或外殼的主要成分。碳酸鈣是重要的工業原料，廣泛應用於塑膠、塗料、食品、建材、造紙等領域。
理化性質
碳酸鈣的化學式為CaCO₃，遇稀醋酸、稀鹽酸、稀硝酸發生泡沸，並溶解。在101.325千帕下加熱到900℃時分解為氧化鈣和二氧化碳。在一大氣壓下將碳酸鈣加熱到900℃會分解成生石灰和二氧化碳（工業制取CO₂）。碳酸鈣會和稀鹽酸反應，會呈泡騰現象，生成氯化鈣、水和二氧化碳（實驗室制取CO₂）。
根據其晶體結構的不同，可以將晶體碳酸鈣分為方解石型碳酸鈣、霞石（又稱文石）型碳酸鈣、球霞石型碳酸鈣。方解石和霞石是天然的碳酸鈣，球霞石則是人工生長的碳酸鈣。輕質碳酸鈣的晶體結構通常為方解石的晶體結構。重質碳酸鈣的晶體結構則為其原料中的碳酸鈣的晶體結構。活性碳酸鈣的晶體結構為表面改性前輕質碳酸鈣或重質碳酸鈣的晶體結構。
在常溫常壓下，方解石是穩定型，文石是準穩定型，球霞石是不穩定型。在高溫常壓下文石仍可是碳酸鈣的穩定變體，文石在450℃可轉變為方解石，也可不轉變為方解石，但在高溫高壓下文石一定會轉變為方解石。球霹石在360～430℃一定會轉變為方解石。
在常壓下，方解石加熱到898℃、文石加熱到825℃，將分解為氧化鈣和二氧化碳；碳酸鈣與所有的強酸發生反應，生成水和相應的鈣鹽（如氯化鈣CaCl₂），同時放出二氧化碳，在常溫（25℃）下，碳酸鈣在水中的濃度積為8.7×10-9，溶解度為0.0014，碳酸鈣水溶液的pH值為9.5～10.2，空氣飽和碳酸鈣水溶液的pH值為8.0～8.6。碳酸鈣無毒、無臭、無刺激性，通常為白色，相對密度為2.7～2.9。方解石的莫氏硬度為3，文石為3.5～4。方解石具有三組菱面體完全解理，文石亦具有解理。輕質碳酸鈣簡稱輕鈣的晶型、粒度和表面性狀對其性能和應用範圍都有很大影響。
由於制備方式不同，輕質碳酸鈣與重質碳酸鈣的理化性質略有不同：
1、沉降體積：輕質碳酸鈣的沉降體積在2.5ml/g以上；重質碳酸鈣的沉降體積為1.2～1.9ml/g。
2、比表面積：重質碳酸鈣的比表面積為1m2/g左右；輕質碳酸鈣的比表面積為5m2/g左右。
3、吸油值：重質碳酸鈣由於顆粒大、表面光潔、比表面積小，因此吸油值較低，為48ml/100g左右；輕質碳酸鈣顆粒微細、表面較粗糙，比表面積大，因此吸油值較高，為60～90ml/100g左右。
決定碳酸鈣粉末其他性能的因素有很多，包括結構、形貌、粒度、白度、純度等。特定性能的碳酸鈣產品一般需要特定的工藝條件，其影響因素包括原料選擇、反應條件的控制、晶形控制劑的選擇、沉淀過程的控制等。
分解溫度是指在某外壓（常指101325a）下，對純物質的凝聚相反應物分解出有氣相產物的反應，達到平衡時，氣相物質所具有的總壓力與外壓相等時的溫度。
碳酸鈣：897℃
碳酸氫鈉：270℃
碳酸氫鈣及碳酸氫鎂：均小於100攝氏度
分類方式
碳酸鈣可按生產方法、粉體粒徑、微觀排列分類。
1、按生產方法分類
根據碳酸鈣生產方法的不同，可以將碳酸鈣分為重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣和奈米碳酸鈣。
2、按粉體粒徑分類
碳酸鈣產品是一種粉體，根據碳酸鈣粉體平均粒徑（d）的大小，可以將碳酸鈣分為微粒碳酸鈣（d＞5μm）、微粉碳酸鈣（1μm＜d＜5μm）、微細碳酸鈣（0.1μm＜d≤1μm）、超細碳酸鈣（0.02μm＜d≤0.1μm）和超微細碳酸鈣（d≤0.02μm）。
3、按微觀排列分類
根據組成碳酸鈣的原子和離子的排列是否有規律，可以將碳酸鈣分為晶體碳酸鈣和非晶體碳酸鈣。
重質碳酸鈣（GCC）
重質碳酸鈣，俗稱重鈣。生產工藝主要是粉碎、超細粉碎、分級和表面改性。應用機械方法（用雷蒙磨或其它高壓磨）直接粉碎天然的方解石、石灰石、白堊、貝殼等就可以制得。由於重質碳酸鈣的沉降體積比輕質碳酸鈣的沉降體積小，所以稱之為重質碳酸鈣。性質：白色粉末。無臭、無味。露置空氣中無變化，比重2.710。熔點1339℃。幾乎不溶於水在含有銨鹽或三氧化二鐵的水中溶解，不溶於醇。遇稀醋酸、稀鹽酸、稀硝酸發生泡沸，並溶解。加熱分解為氧化鈣(CaO)和二氧化碳(CO₂)。
用途：按粉碎細度的不同，工業 上分為四種不同規格：單飛、雙飛、三飛、四飛，分別用於各工業部門。
單飛粉：用於生產無水氯化鈣(CaCl₂)，是重鉻酸鈉生產的輔助原料。玻璃及水泥生產的主要原料。此外，也用於建築材料和家禽飼料等。
雙飛粉：是生產無水氯化鈣和玻璃等的原料、橡膠和油漆的白色填料，以及建築材料等。
三飛粉：用作塑膠、塗料膩子、塗料、膠合板及油漆的填料。
四飛粉：用作電線絕緣層之填料、橡膠模壓制品以及瀝青制油氈之填料。
制法及工藝流程
粉碎法：系將含CaCO₃在90%以上的白石用雷蒙磨或其它高壓磨經粉碎、分級、分離，而制得的成品。
重質碳酸鈣的粉體特點
a顆粒形狀不規則，是多分散粉體。
b 粒徑分布較寬。
c 粒徑大，平均粒徑一般為5-10μm。要確定重質碳酸鈣的平均粒徑，需要測定粒徑分布函數和諸如顆 粒沉降速度或比表面積之類的粉體現象函數。作為一種簡便 的方法是在電子顯微鏡照片上測量顆粒投影的長度和寬度，計算幾何平均粒徑作為表觀粒徑，再取中位粒徑作為平均粒徑。
d 活性碳酸鈣的平均粒徑取為表面改性前輕質碳酸鈣或重質碳酸鈣的平均粒徑。
輕質碳酸鈣（PCC）
又稱沉淀碳酸鈣，簡稱輕鈣，一般以石灰石為原料，經煅燒、消化、碳化、分離、乾燥、分級、包裝等。是將石灰石等制得。原料煅燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分為氫氧化鈣），然後再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最後經脫水、，乾燥和粉碎而制得。或者先用碳酸鈉和氯化鈣進行復分解反應生成碳酸鈣沉淀，然後經脫水、乾燥和粉碎而制得。由於輕質碳酸鈣的沉降體積（2.4-2.8mL/g）比重質碳酸鈣的沉降體積（1.1-1.9mL/g）大，所以稱之為輕質碳酸鈣。
性質：白色粉末。無味 ，無臭。比重約2.71。在825～896.6℃分解。熔點1339℃。有無定形和結晶形兩種形態，結晶形中又可分為斜方晶系和六方晶系，呈柱狀或菱形。難溶於水和醇。溶於酸，同時放出二氧化碳，呈放熱反應。也溶於氯化銨溶液中。在空氣中穩定，有輕微的吸潮能力。
用途：可用作橡膠、塑膠 、造紙、塗料和油墨等行業的填料。廣泛用於有機合成、冶金、玻璃和石棉等生產中。還可用作工業廢水的中種劑、胃與十二指腸潰瘍病的制酸劑、酸中毒的解毒劑、含SO₂廢氣中的SO₂消除劑、乳牛飼料填加劑和油毛氈的防黏劑。也可用作牙粉、牙膏及其它化妝品的原料。
輕質碳酸鈣的粉體特點
a 顆粒形狀規則，可視為單分散粉體，但可以是多種形狀，如紡錘形、立方形、針形、鏈形、球形、片形和四角柱形。這些不同形狀的碳酸鈣可由控制反應條件制得。
b 粒度分布較窄。
c 粒徑小，平均粒徑一般為1-3μm。要確定輕質碳酸鈣的平均粒徑，可用三軸粒徑中的短軸粒徑作為表現粒徑，再取中位粒徑作為平均粒徑。以後除說明外，平均粒徑，即指平均短軸粒徑。
奈米碳酸鈣
理化性質
奈米碳酸鈣用於塑膠中與樹脂親合性好,可有效增加或調節材料剛性,韌性,以及彎曲強度等,並可改善塑膠加工體系的流變性能,降低塑化溫度,提高制品尺寸穩定,耐熱性及表面光潔性;在NR,BR,SBR等橡膠體系中,容易混練,分散均勻,並可使膠質柔軟,還能提高壓出加工性能和模型流動性.使橡膠制品具有表面光滑,伸長率大,抗張強度高,永久變形小,耐彎曲性能好,耐撕裂強度高等特點。
制備方法
奈米碳酸鈣的生產工藝主要運用炭化法，具體包括間歇碳化法、連續噴霧碳化法、超重力碳化法等。該方法在一定濃度的Ca(OH)2的懸浮液中通入二氧化碳氣體進行碳化。通過對Ca(OH)2懸浮液的溫度、二氧化碳氣體的流量控制碳酸鈣晶核的成核速率；在碳化至形成一定的晶核數後，由晶核形成控制轉化為晶體生長控制，此時加入晶形調節劑控制各晶面的生長速率，從而達到形貌可控；繼續碳化至終點加入分散劑調節粒子表面電荷得均分散的立方形碳酸鈣奈米顆粒；然後將均分散的立方形奈米碳酸鈣顆粒進行液相表麵包覆處理。所獲得的奈米活性碳酸鈣粒子在25～100nm之間可控，立方形，比表面大於25m2/g，粒徑分布 GSD為1.57，吸油值小於28g/100gCaCO3，且無團聚現象。所獲得的產品性能優異，可作為高檔橡膠、塑膠以及汽車底漆中的功能填料。
也一種奈米活性碳酸鈣的工業制備方法，包括如下步驟：(1)在 Ca(OH)2的懸浮液，通入含有CO2的氣體，碳化至碳化率達5～40%，加入晶型調節劑，繼續碳化至pH為8.0～9.0，加入表面電荷及空間位阻調節劑，繼續碳化至pH為6～7.5，生成奈米級的立方形碳酸鈣；所說的晶型調節劑為磷酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽、檸檬酸鹽、單糖或多糖中的一種及其混合物，其加入量為漿料重量的0.05～3.0%；所說的表面電荷及空間位阻調節劑為磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸鈉中的一種或一種以上；表面電荷及空間位阻調節劑的加入量為CaCO₃重量的0.1～4.0%；(2)將脂肪酸或水溶性鈦酸酯偶聯劑中的一種或兩種配制成水溶液包覆劑；所說的脂肪酸為 C12～C18的脂肪酸；(3)將奈米碳酸鈣漿料加熱至45～95℃，然後加入包覆劑，包覆劑的加入量以碳酸鈣的重量計為0.5～3.5%，包覆處理時間為0.5～3.5小時間，將漿料過濾，乾燥，即獲得奈米活性碳酸鈣。
膠體碳酸鈣（活化碳酸鈣）
又稱改性碳酸鈣、表面處理碳酸鈣、膠質碳酸鈣或白艷華，簡稱活鈣，是用表面改性劑對輕質碳酸鈣或重鈣碳酸鈣進行表面改性而制得。由於經表面改性劑改性後的碳酸鈣一般都具有補強作用，即所謂的「活性」，所以習慣上把改性碳酸鈣都稱為活性碳酸鈣。
性質：白色細膩、輕質粉末，粒子表面吸附一層脂肪酸皂，使CaCO3具有膠體活化性能。比重1.99～2.01。
膠體碳酸鈣不溶於水，遇酸分解，灼燒變成焦黑色，放出二氧化碳並生成氧化鈣。其活性比普通碳酸鈣大，具有補強性。易分解於膠料之中。
用途：橡膠的填充料，可使橡膠色澤光艷、伸長率大、抗張強度高、耐磨性能良好。還用作制人造革、電線、聚氯乙烯、塗料、油墨和造紙等工業的填料。可使成品具有一定的抗張強度及光滑的外觀。生產微孔橡膠時，可使其發泡均勻。
制法及工藝流程
碳化法：石灰石在高溫下煅燒之後，先用水消化，再經篩濾、碳化、表面處理、乾燥粉碎後，即得膠體碳酸鈣成品。
晶體碳酸鈣
性質：純白色，六方結晶型粉末。比容1.2～1.4毫升/克。溶於酸，幾乎不溶於水。
用途：用於牙膏、醫藥等方面。亦可用作保溫材料和其它化工原料。
制法及工藝流程
氯化鈣碳化法：系將氫氧化鈣與鹽酸反應生成氯化鈣，氯化鈣用二氧化碳碳化後即得碳酸鈣，再經結晶、分離、洗滌、脫水、烘幹、篩選後，得結晶碳酸鈣成品。
Ca(OH)₂+2HCl===CaCl₂+2H₂O
CaCl₂+2NH₃·H₂O+CO₂==CaCO₃↓+2NH₄Cl+ H₂O
分布概況
碳酸鈣是用途極廣的寶貴資源石灰石是石灰巖作為礦物原料的商品名稱。石灰巖在人類文明史上，以其在自然界中分布廣、易於獲取的特點而被廣泛應用。作為重要的建築材料有著悠久的開采歷史，在現代工業中，石灰石是製造水泥、石灰、電石的主要原料，是冶金工業中不可缺少的熔劑灰巖，優質石灰石經超細粉磨後，被廣泛應用於造紙、橡膠、油漆、塗料、醫藥、化妝品、飼料、密封、黏結、拋光等產品的製造中。據不完全統計，水泥生產消耗的石灰石和建築石料、石灰生產、冶金熔劑，超細碳酸鈣消耗石灰石的總和之比為1∶3。石灰巖是不可再生資源，隨著科學技術的不斷進步和奈米技術的發展，石灰石的應用領域還將進一步拓寬。
中國是世界上石灰巖礦資源豐富的國家之一。除上海、香港、澳門外，在各省、直轄市、自治區均有分布。據原國家建材局地質中心統計，全國石灰巖分布面積達43.8萬Km2(未包括西藏和台灣)，約占國土面積的1/20，其中能供做水泥原料的石灰巖資源量約占總資源量的1/4～1/3。為了滿足環境保護、生態平衡，防止水土流失，風景旅遊等方面的需要，特別是隨著大陸小城鎮建設規劃的不斷完善和落實，可供水泥石灰巖的開采量還將減少。
全國已發現水泥石灰巖礦點七、八千處，其中已有探明儲量的有1286處，其中大型礦床257處、中型481處、小型486處（礦石儲量大於8000萬噸為大型、4000～8000萬噸為中型、小於4000萬噸為小型)，共計保有礦石儲量542億噸，其中石灰巖儲量504億噸，占93%；大理巖儲量38億噸，占7%。保有儲量廣泛分布於除上海市以外29個省、直轄市、自治區，其中陜西省保有儲量49億噸，為全國之冠；其餘依次為安徽省、廣西自治區、四川(含重慶市)省，各保有儲量34～30億噸；山東、河北、河南、廣東、遼寧、湖南、湖北7省各保有儲量30～20億噸；黑龍江、浙江、江蘇、貴州、江西、雲南、福建、山西、新疆、吉林、內蒙古、青海、甘肅13省各保有儲量20～10億噸；北京、寧夏、海南、西藏、天津5省各保有儲量5～2億噸。
應用領域
1、食品工業中可作為添加劑使用
2、建築業和造紙行業
3、200目以內:可用於各種飼料添加劑含鈣量達 55.6 以上無有害成份 。
4、250目至300目:用做塑膠廠，橡膠廠，塗料廠，防水材料廠的原料及內外牆粉刷。 白度在85度以上。
5、350目至400目:用於製造扣板，落水管道，化工。白度在 93 度以上。
6、400目至600目：可用於牙膏膏體，肥皂。白度在 94 度以上
7、800目：用於橡膠，塑膠，電纜， pvc 白度在 94 度以上
8、1250目：pvc ， PE ，油漆，塗料級產品，造紙底塗，造紙面塗，白度在 95 度以上。具有高純度、高白度、無毒、無臭、細油質低、硬度低。
9、碳酸鈣可作補鈣劑：吸收率可達39%，僅次於果酸鈣可溶於胃酸，已成為劑型最多、應用最多的補鈣劑。
發展趨勢
在橡膠、造紙、塑膠、塗料工業及復合材料領域中，根據填充的基質以及達到應用性能不同，對碳酸鈣產品的要求越來越高。在大陸，碳酸鈣的發展存在如下幾個發展趨勢。
1、碳酸鈣制備工藝的優化：目前，大陸碳酸鈣生產工藝陳舊，突破性技術較少，致使生產的碳酸鈣產品性能差，品種單一，所以在大陸有必要對現有的碳酸鈣制備工藝進行優化。
2、碳酸鈣粒子結構複雜化：目前已有紡錘形，立方形、針形、球形等以及非晶態的無定形碳酸鈣等多個品種，碳酸鈣的形狀不同，性能也不同，它們的用途也就不同。通過研究各種添加劑對碳酸鈣粒子結構和形貌的影響及影響機理，制備新型的碳酸鈣產品，將會為碳酸鈣拓展新應用的途徑。
3、碳酸鈣粒子的表面處理：普通碳酸鈣作為填料與有機高聚物並用時存在的主要缺點是碳酸鈣表面親水疏油，在有機高聚物中分散性差。碳酸鈣對有機高聚合物不能吸收，因而幾乎沒有補強性，碳酸鈣粉末表面處理為CaCO₃的應用注入了新的活力。
4、奈米碳酸鈣粒子的解聚及分散：目前，奈米碳酸鈣生產中得到的碳酸鈣二次粒徑遠大於一次粒徑，奈米粒子表面能大，具有較高的活性，極易吸附和團聚，穩定性較差，影響了其性能的發揮和應用，所以，解決奈米碳酸鈣粒子的分散問題變得尤為重要。
相關標準
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HG/T 3249.4-2013，橡膠工業用重質碳酸鈣
HG/T 3249.3-2013，塑膠工業用重質碳酸鈣
HG/T 3249.1-2013，造紙工業用重質碳酸鈣
HG/T 3249.2-2013，塗料工業用重質碳酸鈣
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DB33/ 864-2012(2013)，中文名：工業沉淀碳酸鈣單位產品能耗限額及計算方法
ISO 18473-1-2015，特殊應用的功能性顏料和體質顏料 第1部分:密封劑用奈米碳酸鈣
編輯整理：中國非金屬礦信息平台公眾號（chinanmi）
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