阅读说明：本技术 一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法 (Method for preparing nano calcium carbonate by using chitin as crystal form control agent ) 是由 谢晓兰 高平章 孙丽丹 雷键 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法。该方法包括如下步骤：(1)用无水氯化钙配制浓度为0.9-1.1mol/L、pH为11.5-12.5的CaCl<Sub>2</Sub>溶液；(2)在上述CaCl<Sub>2</Sub>溶液中加入几丁质溶液,然后在反应体系中通入CO<Sub>2</Sub>气体,在磁力搅拌条件下进行反应,控制反应温度为25-35℃,反应时间为5-6min；(3)收集反应产物,将反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重,获得纳米碳酸钙。本发明采用几丁质作为晶型控制剂使纳米碳酸钙的颗粒更小,更加均匀,本发明的生产工艺操作简单,绿色环保,具有很好的推广应用前景。(The invention discloses a method for preparing nano calcium carbonate by using chitin as a crystal form control agent. The method comprises the following steps: (1) using anhydrous calcium chloride to prepare CaCl with the concentration of 0.9-1.1mol/L, pH of 11.5-12.5 2 A solution; (2) in the above-mentioned CaCl 2 Adding chitin solution into the solution, and introducing CO into the reaction system 2 Gas reacts under the condition of magnetic stirring, the reaction temperature is controlled to be 25-35 ℃, and the reaction time is 5-6 min; (3) and collecting a reaction product, fully washing the reaction product, and drying the reaction product to constant weight by using a constant-temperature air-blast drying oven to obtain the nano calcium carbonate. The invention adopts chitin as the crystal form control agent to ensure that the particles of the nano calcium carbonate are smaller and more uniform, and the production process has simple operation, is green and environment-friendly, and has good popularization and application prospects。)

一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法

技术领域

本发明涉及纳米碳酸钙的制备技术领域，具体涉及一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法。

背景技术

纳米碳酸钙的学名是超细碳酸钙，粒径在1～100nm，是近三十年发展起来的一种新型材料。由于纳米碳酸钙的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，其所具有的独特性质使得其广泛应用于橡胶、塑料、造纸、食品等行业。将纳米碳酸钙添加到橡胶材料和塑料的生产过程中，不仅提高橡胶制品的表面光洁度且能提升橡胶材料和塑料制品的韧性、抗撕力、抗张力和拉伸性能、耐热性、稳定性能等力学热学性能。若将纳米级的碳酸钙添加到高级油墨和涂料的生产过程,能够有效的提升油墨和涂料的性能，使其更符合现今产业对产品的要求。

纳米碳酸钙的制备过程可以根据是否有化学变化的发生分为物理制备法和化学制备法，工业上一般采用化学法中的碳化法来制备纳米碳酸钙。碳化法是通过石灰石高温煅烧后得到氧化钙，将氧化钙经过一系列后续的处理得到氢氧化钙浆液，制备过程中可加入一定的晶型控制剂后再通入二氧化碳气体，控制反应终点可以得到碳酸钙浆液，浆液经过过滤、洗涤、干燥和表面处理后可以得到纳米碳酸钙。

碳酸钙的主要存在形态有纺锤状、立方状、针状、片状和棒状等，由于形态的差异导致其性能不尽相同，从而应用在不同的领域。晶型控制剂的主要作用是促进反应初期产物粒子的迅速成核，并在反应后期于晶体的不同晶面上发生选择性吸附或阻滞某些晶面的生长，从而改变各晶面的生长速度，控制晶体大小和晶型，因此可以通过加入晶型控制剂对碳酸钙的形貌进行控制。

几丁质，又称壳多糖，是一种由N-乙酰葡糖胺单体通过β连接聚合而成的多糖，可降解为低分子量、可溶性或不溶性低聚糖。几丁质广泛存在于甲壳类动物的外壳、昆虫的甲壳和真菌的胞壁中，也存在于一些绿藻中。几丁质在人体健康保健方面有很多重要的功能：免疫机能活化、防止癌细胞转移、抑制癌症、改善酸性体质、除菌、改善糖尿病、增加肠内有益菌、镇痛止血、抑制高血压和强化肝机能等。

国内外尚未有利用几丁质作为晶型控制剂制取纳米碳酸钙的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：

(1)用无水氯化钙配制浓度为0.9-1.1mol/L、pH为11.5-12.5的CaCl₂溶液；

(2)在上述CaCl₂溶液中加入几丁质溶液，然后在反应体系中通入CO₂气体，在磁力搅拌条件下进行反应，控制反应温度为25-35℃，反应时间为5-6min；

(3)收集反应产物，将反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，获得纳米碳酸钙。

优选的，所述CaCl₂溶液的浓度为1.0mol/L、pH为12.5。

优选的，所述几丁质溶液的质量浓度为1-5％，CaCl₂溶液与几丁质溶液的体积比为30mL:10-3 0mL。

优选的，所述反应温度为35℃，反应时间为6min。

进一步的，反应过程中通入CO₂气体的速度为1L/min。

本发明采用以上技术方案，以几丁质为晶型控制剂来制备纳米碳酸钙，加入的几丁质可以减小纳米碳酸钙的粒径，并且更加均匀。本发明制备的纳米碳酸钙可作为食品添加剂加入到补钙产品的生产过程中，粒径小且均匀的纳米碳酸钙更容易被人体吸收，为人们提供更多的补钙产品的选择。本发明的生产工艺操作简单，绿色环保，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为各个温度下Ca²⁺转化率；

图2为各个反应物浓度下Ca²⁺转化率；

图3为各个pH下钙离子转化率；

图4为各个反应时长下钙离子转化率；

图5为未加几丁质的碳酸钙SEM图像；

图6为添加10mL 1％几丁质的碳酸钙SEM图像；

图7为添加30mL1％几丁质的碳酸钙SEM图像；

图8为添加30mL 5％几丁质的碳酸钙SEM图像。

具体实施方式

下面将结合实施例进一步详细说明本发明的实质内容和有益效果，这些实施例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。此外，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1单因素实验确定各因素下的最佳水平

CaCl₂浓度、碳化温度、pH、碳化时间是影响钙离子转化率的主要因素。逐次改变其中的一个因素，固定其他因素进行碳化实验，以钙离子转化率为考察指标，确定各因素下的最佳水平。

1-1碳化温度对钙离子转化率的影响

用无水氯化钙配制1mol/L的CaCl₂溶液，配置过程中用氨水调pH至11，调完pH后定容至50mL。取30mLCaCl₂溶液于烧杯中，通入CO₂气体，通气过程中控制CO₂的流速为1L/min，通气时长为5min，在一定水浴温度下进行磁力搅拌。通气过程结束后收集滤液和反应产物。反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，计算转化率。水浴温度分别为0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。

采用EDTA法测定钙离子浓度，具体操作如下：取未通CO₂气体的CaCl₂溶液和通完CO₂气体的CaCl₂溶液各1mL，用0.02mol/L的EDTA法滴定其中的钙离子，计算得出其中的钙离子浓度。

钙离子转化率计算公式：Ca²⁺转化率＝(反应前浓度-反应后浓度)/反应前浓度*100％

结果如图1所示，在温度不同的情况下，由钙离子转化为纳米碳酸钙的转化率各不相同。依据各个温度下的转化率，当温度为30℃的时候，转化率最高。温度改变时，钙离子转化率的变化并不明显。

1-2CaCl₂浓度对钙离子转化率的影响

用无水氯化钙配制0.2mol/L、0.4mol/L、0.6mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L、1.2mol/L的CaCl₂溶液，配制过程中用氨水调pH至11.5，调完pH后定容至50mL。取30mLCaCl₂溶液于烧杯中，通入CO₂气体，通气过程中控制CO₂的流速为1L/min，通气时长为5min，在水浴温度20℃下进行磁力搅拌。通气过程结束后收集滤液和反应产物。反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，根据1-1中的公式计算转化率。

结果如图2所示，控制其它反应条件一致的情况下，当钙离子浓度大于1mol/L时转化率趋向于稳定。且从绿色环保的角度考虑，Ca²⁺浓度为1.0mol/L为最佳反应物浓度。

1-3考察pH对钙离子转化率的影响

用无水氯化钙配制0.2mol/L的CaCl₂溶液，配置过程中用氨水分别调pH至10.5、11、11.5、12、12.5，调完pH后定容至50mL。取30mL CaCl₂溶液于烧杯中，通入CO₂气体，通气过程中控制CO₂的流速为1L/min，通气时长为5min，在水浴温度20℃下进行磁力搅拌。通气过程结束后收集滤液和反应产物。反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，根据1-1中的公式计算转化率。

结果如图3所示，在其他反应条件一样的情况下，反应物的pH达到12、12.5的情况下，钙离子转化率趋向于稳定。考虑pH过大会对设备以及仪器造成一定的损耗，所以pH为12是反应溶液的最佳pH。

1-4考察碳化时间对钙离子转化率的影响

用无水氯化钙配制0.4mol/L的CaCl₂溶液，配置过程中用氨水调pH至11，调完pH后定容至50mL。取30mL CaCl₂溶液于烧杯中，通入CO₂气体，通气过程中控制CO₂的流速为1L/min，控制通气时长分别为1min、3min、5min、7min、9min，在水浴温度20℃下进行磁力搅拌。通气过程结束后收集滤液和反应产物。反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，根据1-1中的公式计算转化率。

结果如图4所示，当碳化时间增加时，钙离子的转化率也在增加，在反应时长为5min时达到顶峰，后碳化时间增加，钙离子转化率降低。

实施例2正交实验确定最佳生产工艺

2-1正交表的制定

根据单因素法确定的较佳反应条件，以A(碳化温度/℃)、B(碳化时长/min)、C(pH)、D(CaCl₂浓度/mol/L)进行正交实验，每个因素在较佳条件的附近选择三个水平，参考L₉(4³)正交表制定正交实验表(表1)。

表1不同反应条件下产物的实际产值和Ca²⁺转化率

2-2正交实验

根据制定的正交表，实验采用碳化法制备纳米碳酸钙，具体制备方法如下：按照各个试验号的条件，用无水氯化钙配制CaCl₂溶液50mL，配制过程中调节pH，取30mL CaCl₂溶液，通入CO₂，反应过程中加以磁力搅拌。收集反应产物并且充分干燥。

根据正交实验得到的最佳反应条件A₁B₃C₃D₃，,即碳化温度为25℃、碳化时间为6min、体系pH为12.5、CaCl₂浓度为1.1mol/L。从极差分析得出的最佳反应条件组合为A₃B₃C₃D₂，即碳化温度为35℃、碳化时间为6min、体系pH为12.5、CaCl₂浓度为1mol/L。极差分析得出的最佳反应条件与正交实验得出的最佳反应条件不一致，因此需要验证最佳反应条件。配制体系pH 12.5、浓度为1mol/L、1.1mol/L的CaCl₂溶液，保持碳化时间为6min，分别在碳化温度为25℃和35℃的条件下进行碳化。保持相同条件下进行三次平行实验，以钙离子转化率为考察指标，所得数据见表2。从表2可知，纳米碳酸钙的最佳工艺条件为A₃B₃C₃D₂。

表2验证试验及产率分析表

实施例3不加入几丁质制备碳酸钙

用无水氯化钙配制浓度为1mol/L、pH为12.5的CaCl₂溶液50mL。取30mL CaCl₂溶液，通入CO₂，反应过程中控制反应温度为35℃、反应时长为6min，反应过程中加以磁力搅拌。收集滤液和反应产物，反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，计算钙离子转化率。

利用扫描电镜(SEM)观察纳米碳酸钙的形貌特征，具体操作如下：将导电胶直接粘在铜片上，待测样品借助外物直接散落在导电双面胶上，用洗耳球轻轻吹去试样，来除去未附着在导电胶上的样品。进样分析，在不同倍镜下观测晶体的形貌和粒径大小。

未加几丁质的碳酸钙的SEM图像如图5所示。从图中可以看出，未加任何添加剂的碳酸钙颗粒成聚集状态，球体表面有很多微小的颗粒，这些直径约为110nm的纳米级微小颗粒自组装形成直径约为13μm的微球。微球大小分布不均匀，粒径变化较大，微球表面的纳米级颗粒粒径较为均匀。

实施例4加入1％的几丁质溶液10mL制备碳酸钙

用无水氯化钙配制浓度为1mol/L、pH为12.5的CaCl₂溶液50mL。取30mL CaCl₂溶液，加入1％的几丁质溶液10mL，通入CO₂，反应过程中控制反应温度为35℃、反应时长为6min，反应过程中加以磁力搅拌。收集滤液和反应产物，反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，计算钙离子转化率。利用扫描电镜观察纳米碳酸钙的形貌特征，操作步骤同实施例3。

SEM结果如图6所示。从图中可以得出，添加几丁质的碳酸钙微球更加均匀，直径约为7μm，球形颗粒周围出现层状的致密平面立体，微球表面的纳米级颗粒也较无添加剂的纳米级颗粒直径更小，微球表面的颗粒直径约为70nm。

实施例5加入1％的几丁质溶液30mL制备碳酸钙

用无水氯化钙配制浓度为1mol/L、pH为12.5的CaCl₂溶液50mL。取30mL CaCl₂溶液，加入1％的几丁质溶液30mL，通入CO₂，反应过程中控制反应温度为35℃、反应时长为6min，反应过程中加以磁力搅拌。收集滤液和反应产物，反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，计算钙离子转化率。利用扫描电镜观察纳米碳酸钙的形貌特征，操作步骤同实施例3。

SEM结果如图7所示。图中的碳酸钙颗粒晶型为球状，球形颗粒周围出现层状的致密平面立体，微球直径约为5μm，微球表面的颗粒直径约为60nm。这些纳米级颗粒自组装形成微球。

实施例6加入5％的几丁质溶液30mL制备碳酸钙

用无水氯化钙配制浓度为1mol/L、pH为12.5的CaCl₂溶液50mL。取30mL CaCl₂溶液，加入5％的几丁质溶液30mL，通入CO₂，反应过程中控制反应温度为35℃、反应时长为6min，反应过程中加以磁力搅拌。收集滤液和反应产物，反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，称重，计算钙离子转化率。利用扫描电镜观察纳米碳酸钙的形貌特征，操作步骤同实施例3。

SEM结果如图8所示。图中的碳酸钙颗粒晶型为球状，微球的直径约为3μm，微球表面纳米级颗粒的直径约为70nm，较无添加剂的碳酸钙微球的粒径有一定程度的减小，粒径更加均匀。

由实施例3-6的实验结果可知，加入几丁质后，可以使纳米碳酸钙的颗粒更小，更加均匀，因此本发明提供一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法。

实施例7

一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：

(1)用无水氯化钙配制浓度为1mol/L、pH为12.5的CaCl₂溶液；

(2)在30mL CaCl₂溶液中加入质量浓度为5％的几丁质溶液20mL，然后以1L/min的速度在反应体系中通入CO₂气体，在磁力搅拌条件下进行反应，控制反应温度为35℃，反应时间为6min；

(3)收集反应产物，将反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，获得纳米碳酸钙。

实施例8

一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：

(1)用无水氯化钙配制浓度为1.1mol/L、pH为12的CaCl₂溶液；

(2)在30mL CaCl₂溶液中加入质量浓度为5％的几丁质溶液10mL，然后以1L/min的速度在反应体系中通入CO₂气体，在磁力搅拌条件下进行反应，控制反应温度为25℃，反应时间为6min；

(3)收集反应产物，将反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，获得纳米碳酸钙。

实施例9

一种以几丁质为晶型控制剂制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：

(1)用无水氯化钙配制浓度为0.9mol/L、pH为11.5的CaCl₂溶液；

(2)在30mL CaCl₂溶液中加入质量浓度为1％的几丁质溶液30mL，然后以1L/min的速度在反应体系中通入CO₂气体，在磁力搅拌条件下进行反应，控制反应温度为30℃，反应时间为5min；

(3)收集反应产物，将反应产物充分洗涤后用恒温鼓风干燥箱干燥至恒重，获得纳米碳酸钙。