碳酸鈣作為無(wú)機(jī)填料應(yīng)用于塑料填充已有多年的歷史。過(guò)去碳酸鈣一般作為填料以降低成本為主要目的被廣泛使用,并收到較好效果。近年來(lái),隨著生產(chǎn)上廣泛的使用和大量的研究發(fā)現(xiàn),填充大量的碳酸鈣也可做到不明顯降低制品的性能,甚至某些方面還會(huì)大幅度提高,如機(jī)械性能、熱性能等。

1、　碳酸鈣的概述

    應(yīng)用于塑料中填料的碳酸鈣有重質(zhì)(簡(jiǎn)稱(chēng)重鈣)和輕質(zhì)(簡(jiǎn)稱(chēng)輕鈣)兩種。由于制備方法不同,輕鈣堆積體積大,顯得輕,實(shí)際上二者密度相差很少。

(1)輕質(zhì)碳酸鈣。

    通常所說(shuō)的輕質(zhì)碳酸鈣是指普通的符合國(guó)標(biāo)ＧＢ4794-84標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,輕鈣密度為2.4～2.7ｇ/ｃｍ3,其長(zhǎng)徑為5～12μｍ,短徑為1～3μｍ,平均粒徑為2～3μｍ。工業(yè)上輕鈣生產(chǎn)方法占主導(dǎo)地位的是碳化法,即:ＣａＣＯ3石灰石　-△-?。茫幔仙沂?/span>-Ｈ2Ｏ-?。茫?/span>(ＯＨ)2熟石灰　-ＣＯ2-　ＣａＣＯ3輕鈣

 (2)重質(zhì)碳酸鈣。

    可由天然碳酸鈣礦物質(zhì)如方解石、大理石、白堊磨碎分級(jí)而成。現(xiàn)在塑料中使用的重質(zhì)碳酸鈣多用方解石作為原料。方解石的物理性能:密度2.60～2.75ｇ/ｃｍ3,硬度(莫氏)3,溶解度(18℃)0.0013ｇ/100ｇ水,分解溫度900℃。重質(zhì)碳酸鈣過(guò)去稱(chēng)之為單飛粉(200目)、雙飛粉(320目)、四飛粉(400目)以及方解石粉。目前尚無(wú)適用于塑料填充用的重鈣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但企業(yè)各自有產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或控制指標(biāo)。

    我國(guó)具有豐富的碳酸鈣資源,幾乎分布于全國(guó)各地,其中四川、廣西儲(chǔ)存量大。目前我國(guó)生產(chǎn)碳酸鈣的企業(yè)遍布全國(guó),為了適應(yīng)塑料、造紙和涂料等行業(yè)對(duì)碳酸鈣市場(chǎng)需求,近幾年還引進(jìn)或自行開(kāi)發(fā)了不少新設(shè)備、新生產(chǎn)線,生產(chǎn)微細(xì)、超微細(xì)和納米級(jí)碳酸鈣。

    在實(shí)際使用過(guò)程中,一般不直接把碳酸鈣添加到塑料中。為使碳酸鈣能均勻分散在塑料中,起到優(yōu)化性能的作用,先必須對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面活化處理。根據(jù)終塑料制品的成型工藝和使用性能要求,選取一定粒徑的碳酸鈣,用偶聯(lián)劑、分散劑、潤(rùn)滑劑等助劑先活化處理,再加入一定量的載體樹(shù)脂混合均勻后,用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒,即得碳酸鈣膜母粒。一般情況下,母粒中碳酸鈣含量為80%,各種助劑總含量為5%左右,載體樹(shù)脂為15%。

2、　碳酸鈣的添加可大大降低塑料成本

    碳酸鈣儲(chǔ)量極其豐富,制備非常簡(jiǎn)單,所以?xún)r(jià)格非常便宜。而塑料粒子(聚乙烯和聚丙烯等)相對(duì)來(lái)說(shuō),價(jià)格昂貴。兩者之間價(jià)格相差很大,碳酸鈣在塑料中添加的越多,成本就降得越低。當(dāng)然碳酸鈣不能度的添加,考慮到塑料制成品的韌性,碳酸鈣的填充用量一般控制在50%以?xún)?nèi)。對(duì)于塑料和鋼塑復(fù)合管的生產(chǎn),塑料都是其主要的原料,大大地降低塑料成本無(wú)疑是極大地降低了生產(chǎn)成本,有益于利潤(rùn)的提高。

3、　碳酸鈣的改性作用

    重質(zhì)碳酸鈣可增加塑料產(chǎn)品體積,降低成本,提高硬度和剛度,減小塑料制品的收縮率,提高尺寸穩(wěn)定性;改進(jìn)塑料的加工性能、提高其耐熱性、改進(jìn)塑料的散光性、抗擦傷性、平滑度;同時(shí)對(duì)缺口抗沖擊強(qiáng)度的增韌效果及混煉過(guò)程中的粘流性等方面都具有明顯的效果。

3.1　力學(xué)性能

填充碳酸鈣后,由于碳酸鈣的硬度大,會(huì)提高塑料制品的硬度和剛度,力學(xué)性能增強(qiáng)。制品的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度得到改進(jìn),并使塑料制品的彈性模量顯著提高,與玻璃鋼相比它的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎模量與玻璃鋼大致相同,熱變形溫度一般比玻璃鋼高,不如玻璃鋼的是它的缺口沖擊強(qiáng)度較低,但這一缺點(diǎn)可通過(guò)添加少量短玻璃纖維而被克服。對(duì)于管材,填充碳酸鈣可提高它的幾項(xiàng)指標(biāo),如拉伸強(qiáng)度、鋼球壓痕強(qiáng)度、缺口抗沖擊強(qiáng)度、粘流性、耐熱性等;但同時(shí)會(huì)降低它的幾項(xiàng)韌性指標(biāo),如斷裂延伸率、快速開(kāi)裂、簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度等。

 3.2　熱性能

     加入填充料后,由于碳酸鈣的熱穩(wěn)定性好,可使制品的熱膨脹系數(shù)、收縮率在各方面相同下降,而不象玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性那樣,在不同方面有不同的收縮率,加入填充料后可使制品的翹度、彎曲度變小,這是與纖維填充料相比大的特點(diǎn),制品的熱變形溫度隨著填充料的增加而增高。

3.3　輻射性

    填充料對(duì)射線有一定的吸收能力,一般可吸收30%～80%入射紫外線,防止塑料制品的老化。

3.4　超細(xì)碳酸鈣的特殊改性作用

    碳酸鈣的粒度也可以做成多種,通過(guò)把0.1～1μｍ粒徑的碳酸鈣稱(chēng)之微細(xì),而把0.1～0.02μｍ范圍內(nèi)的稱(chēng)之為超細(xì),把粒徑≤0.02μｍ的稱(chēng)之為超微細(xì)。塑料中填充超細(xì)級(jí)或更細(xì)的碳酸鈣,在改變制品性能方面有特殊效果。

     剛性和韌性是塑料制品兩個(gè)重要性能指標(biāo),如何保證塑料制品同時(shí)具有良好的剛性和韌性,是長(zhǎng)期以來(lái)材料科學(xué)研究的重要課題之一。為了提高塑料制品的韌性,一般采用添加橡膠或彈性體的方法,可以達(dá)到增韌改性的目的,但卻損害了材料寶貴的剛性性能,而且材料的加工性能和耐熱性能將會(huì)降低。20世紀(jì)90年代,人們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在塑料中填充較大量的超細(xì)碳酸鈣粒子后,塑料不僅剛性不受損害,韌性也得到大幅度的提高,大可提高2～3倍。改變了以往填充改性塑料必須以犧牲某種力學(xué)性能為代價(jià)、改性塑料的力學(xué)性能隨填料填充量的增加而下降的狀況。過(guò)去對(duì)無(wú)機(jī)填料表面活化處理一般采用鋁酸酯、鈦酸酯、硅烷和酸式亞磷酸脂等偶聯(lián)劑,與載體樹(shù)脂、潤(rùn)滑劑混合后,在熔融狀態(tài)下進(jìn)行表面活化處理。新的表面活化處理工藝除采用偶聯(lián)劑外,還根據(jù)終塑料制品的成型工藝和使用性能要求,選擇添加一定量的增塑劑、增容劑和分散劑等,而且是常溫下在高攪機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷包覆。