颗粒诱导疏水作用驱动碳酸钙与TiO2自组装复合的理论与工艺基础研究

Calcium carbonate (subject of assembly unit) / TiO2 (object of assembly unit) composite particle material, which has a stable and orderly structure coated by TiO2, will be prepared by submicron-micron scale self-assembly method through setting, control, identification and effection of comprehensive driving force between particles in aqueous medium, realize the TiO2 and calcium carbonate solid combination by the particle surface induce hydrophobic effect, construct of TiO2 in the calcium carbonate surface orderly and stable distribution of cladding structure, and finally obtain the composite particle materials with stable and excellent structures and excellent pigment characters. The progress will study calcium carbonate and TiO2 self-assembly composite theory and fundamental research, including: (1) The combined energy of particles under the self-assembly process, especially induction the setting and regulation mechanism of hydrophobic interaction energy. (2) The recognition of TiO2 and calcium carbonate particles and through the surface induce hydrophobic effect derive particle composite and the optimization of affecting factors. (3) The construction and stability of calcium carbonate-TiO2 self-assembly composite particles research. (4) The pigment properties of calcium carbonate-TiO2 self-assembly composite particles materials evaluate. The progress could recognize the scientific law whose particles self-assembling build cladding structure, to establish a new technology superior to the traditional preparation methods lay the theoretical basis and design consideration

本项目分别以TiO2和碳酸钙颗粒为组装物质单元主体与客体（底物），采用自组装方法，通过水介质体系中颗粒间综合作用能的设定、调控、识别和外加能量等手段，实现TiO2与碳酸钙通过颗粒表面诱导疏水作用的牢固结合，从而构筑TiO2在碳酸钙表面有序而稳定的包覆分布结构，最终获得结构和性质稳定且具有优异颜料特性的复合颗粒材料。本项目拟对颗粒诱导疏水作用驱动碳酸钙与TiO2自组装复合的理论与工艺基础问题开展研究，包括：（1）自组装过程中颗粒间的综合作用能，特别是诱导疏水作用能的设定与调控机制；（2）TiO2和碳酸钙颗粒彼此间作用识别和通过表面诱导疏水作用驱动复合的过程与影响因素优化；（3）碳酸钙-TiO2自组装复合颗粒结构与稳定性研究；（4）碳酸钙-TiO2自组装复合颗粒材料的颜料性能及其评价。本项目研究可认识颗粒自组装构筑包覆性结构的科学规律，为建立优于传统制备方法的新技术奠定理论基础和设计依据。

为提高矿物-TiO2复合颜料的功能性和制备技术水平，更好地解决钛白粉（颜料二氧化钛）生产和应用中存在的各种制约问题，本项目采用颗粒疏水聚团为驱动力的自组装方法制备了CaCO3表面包覆TiO2复合颗粒，对自组装复合过程的理论与工艺基础问题进行了系统研究，对CaCO3-TiO2复合颗粒的结构、形貌和颜料性能进行了表征。取得以下主要成果：.（1）研究了碳酸钙和TiO2颗粒表面不饱和质点及官能团的调整技术。通过(NaPO3)6和Na5P3O10对碳酸钙表面Ca2+的溶蚀，对Ca2+的数量和分布进行了调整，Ca2+溶出率最高为11.53%。调整悬浮液pH值可对TiO2表面羟基数量予以调控；.（2）研究了碳酸钙和TiO2颗粒表面有机改性及表面诱导疏水性调控。碳酸钙和TiO2经硬脂酸钠改性可形成表面诱导疏水特性，水接触角最大分别为120和107，硬脂酸钠的改性吸附具有化学性质，形成的颗粒表面诱导疏水作用具有稳定性；.（3） 研究了改性碳酸钙-碳酸钙和改性TiO2-TiO2颗粒在水介质中的分散行为。基于颗粒间作用的DLVO理论，实现了使它们在远程间距范围的良好分散； .（4） 计算了水介质中改性碳酸钙-TiO2颗粒间相互作用能，对二者作用识别和疏水聚团自组装复合过程进行了分析，认为碳酸钙-TiO2颗粒间具有较小的排斥能垒是实现二者作用识别，进而实现疏水聚团自组装结合的关键；.（5） 研究了碳酸钙-TiO2自组装复合中颗粒表面润湿性及其组合的影响。只有当碳酸钙和TiO2表面均被改性且呈现疏水性时，才能实现碳酸钙表面均匀包覆TiO2有序结构，且二者通过彼此表面有机链的缔合而牢固结合；.（6） 研究了碳酸钙-TiO2自组装复合结构和稳定性。碳酸钙-TiO2复合颗粒以TiO2均匀包覆在碳酸钙表面所形成，碳酸钙-TiO2疏水聚团作用力计算和超声波振荡试验表明二者结合牢固；.（7）研究了碳酸钙-TiO2复合粉体的颜料性能。碳酸钙-TiO2复合粉体的颜料性能与钛白粉相当，遮盖力达到纯TiO2的90.18%~93.50%，紫外-可见光吸收性与钛白粉接近，且具有强疏水性。. 本项目研究为认识颗粒自组装构筑包覆性结构的科学规律，为建立优于传统制备方法的新技术奠定了理论基础和设计依据。