碳酸鈣特性和塑料對碳酸鈣的基本要求
碳酸鈣的特性 碳酸鈣在塑料中大量使用,得到塑料行業高度重視不是偶然的,相比起其它非金屬礦物粉體材料,碳酸鈣具有明顯的優勢. 1)價格便宜 無論是重鈣還是輕鈣在各種非礦粉體材料是價格最低的,也就是說任何一種非礦粉體材料僅僅試圖替代碳酸鈣作為塑料填充料使用,而不是突顯這種粉體材料本身的特點,那是沒有意義的. 2)色澤好,易著色 且可以做淺色塑料制品.不足之處是著色的塑料制品色澤不夠鮮艷,在多數情況下還是可以接受的.
3)硬度低 其莫氏硬度為3,遠遠低于制造加工機械設備與模具所用鋼材(如氮化鋼、高速鋼)的硬度,因此填充塑料對所接觸的設備部件(螺桿、螺筒等)和模具的磨損較輕. 4)熱穩定性及化學穩定性良好 在碳酸鈣的熱分解溫度在800℃以上,在所有的塑料加工溫度下(300℃以下)都不會發生熱分解 碳酸鈣是強堿弱酸鹽,除遇酸性介質外,其化學穩定性良好.
5)易干燥,無結晶水,吸附的水分通過加熱容易除去.
6)無毒、無刺激性、無味,特別是我國的方解石、大理石、石灰石資源豐富,可選擇余地大,絕大多數資源品質優良,特別是重金屬含量極低,達到國家衛生級要求.
碳酸鈣對填充塑料性能的影響 1)對密度的影響 重鈣和輕鈣在真實密度上區別不明顯,前者為~/cm3,后者為~ g/cm3,它們的主要區別主是要堆積密度差別顯著,工業上用沉降體積來區分重鈣和輕鈣,即在無水乙醇中/g以上為輕鈣,而重鈣在~/g.
堆積密度不同主要由于碳酸鈣粉體顆粒的晶形不同,輕鈣粒子為紡錘形(棗核形),具有一定的長徑比,而重鈣多呈破碎后的塊狀.這種顆粒形狀的差異導致在基體塑料中,碳酸鈣粒子是以大大小小凝聚體形式像海島一樣存在的,它們所占據的空間大小也不相同.從宏觀上看,填料的添加量相同時,不同的填料,重鈣或是輕鈣,甚至目數不同的重鈣,都會造成塑料制品長度、面積或制品個數的不同.表3列出輕鈣或不同目數的重鈣填充pvc芯層發泡管材的密度變化情況.
對塑料制品成型尺寸變化率的影響
塑料制品在成型后的冷卻過程中會產生收縮,無論是擠出、壓延還是注塑、吹塑成型都會存在這種現象,尤其是注塑成型制品如果對制品尺寸變化的規律掌握不好,就會出現翹曲、塌陷等現象,影響制品的外觀.例如,ABS樹脂的成型收縮率僅為%左右,依此設計制造的模具用于PP材料的注塑成型,由于純PP材料的成型收縮率為%~%,大大高于ABS樹脂,因此同樣模具注塑出來的制品,由于材料不同,其外型有可能變化很大.碳酸鈣和其它非礦粉體材料加入會使填充塑料的成型尺寸變化率(收縮率)大大小于純基體塑料.例如,在聚丙烯塑料中加入30%~40%的碳酸鈣或滑石粉,其注塑成型尺寸變化率可從純PP的%下降至%以下.這意味著如果用注塑ABS材料的模具換成注塑純PP材料,需要重新設計和制造模具,而如果用碳酸鈣40%的填充PP材料,仍然還可以使用原來的模具.對塑料用碳酸鈣的基本要求
了解了碳酸鈣本身的特性以及碳酸鈣對填充塑料性能的影響之后,提出對塑料用碳酸鈣的基本要求就比較簡單了. 1)碳酸鈣含量要高,硅、鐵等元素的化合物要盡量低,有害重金屬元素含量更要嚴格要求.白云石的主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂,按理說應當也可以用做塑料的填料.但從實際使用的效果看,白云石粉加入塑料中(聚乙烯、聚丙烯)會使整個填充物呈現灰色.到目前為止,還未得到合理的解釋. 硅化合物的存在,有可能使聚氯乙烯發生輕度交聯或引發熱降解,如造紙堿回收排出的白泥中,碳酸鈣含量達95%以上,但有的白泥中酸不溶物含量高,會使聚氯乙烯熱穩定性減弱,而同樣的白泥不會影響聚乙烯或聚丙烯的熱穩定性.在重鈣中硅化合物的存在會導致顆粒硬度增大,含硅高的方解石粉制作的填充母料用于聚丙烯扁絲生產時,分切刀片易磨損就是證明.
鐵含量高會影響重鈣粉的色澤,易發黃,特別是在表面處理時遇到硬脂酸等酸性物質時,在高溫下極易變黃. 在碳酸鈣用于接觸食品的塑料制時,如一次性餐具、包裝袋等,要嚴格篩選所用的碳酸鈣,以確保重金屬元素含量符合衛生要求. 2)白度要盡可能高 無論重鈣還是輕鈣,其白度主要取決于資源.對于塑料材料來說,白度高低并不影響材料的力學性能和加工性能,但白度高給人的感覺好,同樣的性能白度高的更具競爭優勢. 3)吸油值越低越好
100g粉體材料所能吸收的鄰苯二甲酸丁二醇酯(DBP)的最大量稱之為該材料的吸油值.
對于某些塑料制品,如軟質聚氯乙烯、人造革、電纜料等,需使用增塑劑,碳酸鈣吸油值越高,越易將增塑劑吸附到填料中,使其失去增塑樹脂的作用,從而為達到一定的柔軟度需加大增塑劑用量,造成成本上升.通過對碳酸鈣表面處理,將碳酸鈣顆粒表面包覆,可以降低其吸油值.例如,經偶聯劑處理的輕質碳酸鈣其吸油值可從/100g降至/100g. 4)細度要適當,并非越細越好,粒徑分布也要因需而定 對填充塑料來說,所用的填料粒徑越小,同樣填充比例時,其填充塑料材料的力學性能越好,但其前提是粉體顆粒在塑料基體中均勻分散,即以單個顆粒的形式像海島一樣分散在基體塑料的汪洋大海中.如果是凝聚體,甚至是大的團粒,則不僅不能帶來好的影響,反而會成為材料中最薄弱的區域,比實體大顆粒的作用還要差.鑒于我國目前對粉體材料表面處理及在塑料基體中的分散技術還不十分理想,塑料行業中使用的加工機械設備還不足以將過細的粉體顆粒完全分散開來,因此非礦粉體加工企業不應追求越細越好.這也是納米碳酸鈣未能在塑料行業中推廣使用的重要原因. 我們使用的重鈣按粗細大致分為三大類,400目、800目和1250目,其實際使用的比例大約為60:30:10,也就是說,作為重鈣產品,塑料行業用量最大的是400目的,當然現在用量增長最快的1250目的.表6 碳酸鈣粒徑大小對填充HDPE薄膜力學性能的影響
力學性能CaCO3粒徑 拉伸強度(縱/橫)/MPa 斷裂伸長率(縱/橫)/%
400目 / 309/286
1250目 / 342/347
2500目 / 350/410
