碳酸钙特性和塑料对碳酸钙的基本要求
碳酸钙的特性 碳酸钙在塑料中大量使用,得到塑料行业高度重视不是偶然的,相比起其它非金属矿物粉体材料,碳酸钙具有明显的优势. 1)价格便宜 无论是重钙还是轻钙在各种非矿粉体材料是价格最低的,也就是说任何一种非矿粉体材料仅仅试图替代碳酸钙作为塑料填充料使用,而不是突显这种粉体材料本身的特点,那是没有意义的. 2)色泽好,易着色 且可以做浅色塑料制品.不足之处是着色的塑料制品色泽不够鲜艳,在多数情况下还是可以接受的.
3)硬度低 其莫氏硬度为3,远远低于制造加工机械设备与模具所用钢材(如氮化钢、高速钢)的硬度,因此填充塑料对所接触的设备部件(螺杆、螺筒等)和模具的磨损较轻. 4)热稳定性及化学稳定性良好 在碳酸钙的热分解温度在800℃以上,在所有的塑料加工温度下(300℃以下)都不会发生热分解 碳酸钙是强碱弱酸盐,除遇酸性介质外,其化学稳定性良好.
5)易干燥,无结晶水,吸附的水分通过加热容易除去.
6)无毒、无刺激性、无味,特别是我国的方解石、大理石、石灰石资源丰富,可选择余地大,绝大多数资源品质优良,特别是重金属含量极低,达到国家卫生级要求.
碳酸钙对填充塑料性能的影响 1)对密度的影响 重钙和轻钙在真实密度上区别不明显,前者为~/cm3,后者为~ g/cm3,它们的主要区别主是要堆积密度差别显著,工业上用沉降体积来区分重钙和轻钙,即在无水乙醇中/g以上为轻钙,而重钙在~/g.
堆积密度不同主要由于碳酸钙粉体颗粒的晶形不同,轻钙粒子为纺锤形(枣核形),具有一定的长径比,而重钙多呈破碎后的块状.这种颗粒形状的差异导致在基体塑料中,碳酸钙粒子是以大大小小凝聚体形式像海岛一样存在的,它们所占据的空间大小也不相同.从宏观上看,填料的添加量相同时,不同的填料,重钙或是轻钙,甚至目数不同的重钙,都会造成塑料制品长度、面积或制品个数的不同.表3列出轻钙或不同目数的重钙填充pvc芯层发泡管材的密度变化情况.
对塑料制品成型尺寸变化率的影响
塑料制品在成型后的冷却过程中会产生收缩,无论是挤出、压延还是注塑、吹塑成型都会存在这种现象,尤其是注塑成型制品如果对制品尺寸变化的规律掌握不好,就会出现翘曲、塌陷等现象,影响制品的外观.例如,ABS树脂的成型收缩率仅为%左右,依此设计制造的模具用于PP材料的注塑成型,由于纯PP材料的成型收缩率为%~%,大大高于ABS树脂,因此同样模具注塑出来的制品,由于材料不同,其外型有可能变化很大.碳酸钙和其它非矿粉体材料加入会使填充塑料的成型尺寸变化率(收缩率)大大小于纯基体塑料.例如,在聚丙烯塑料中加入30%~40%的碳酸钙或滑石粉,其注塑成型尺寸变化率可从纯PP的%下降至%以下.这意味着如果用注塑ABS材料的模具换成注塑纯PP材料,需要重新设计和制造模具,而如果用碳酸钙40%的填充PP材料,仍然还可以使用原来的模具.对塑料用碳酸钙的基本要求
了解了碳酸钙本身的特性以及碳酸钙对填充塑料性能的影响之后,提出对塑料用碳酸钙的基本要求就比较简单了. 1)碳酸钙含量要高,硅、铁等元素的化合物要尽量低,有害重金属元素含量更要严格要求.白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁,按理说应当也可以用做塑料的填料.但从实际使用的效果看,白云石粉加入塑料中(聚乙烯、聚丙烯)会使整个填充物呈现灰色.到目前为止,还未得到合理的解释. 硅化合物的存在,有可能使聚氯乙烯发生轻度交联或引发热降解,如造纸碱回收排出的白泥中,碳酸钙含量达95%以上,但有的白泥中酸不溶物含量高,会使聚氯乙烯热稳定性减弱,而同样的白泥不会影响聚乙烯或聚丙烯的热稳定性.在重钙中硅化合物的存在会导致颗粒硬度增大,含硅高的方解石粉制作的填充母料用于聚丙烯扁丝生产时,分切刀片易磨损就是证明.
铁含量高会影响重钙粉的色泽,易发黄,特别是在表面处理时遇到硬脂酸等酸性物质时,在高温下极易变黄. 在碳酸钙用于接触食品的塑料制时,如一次性餐具、包装袋等,要严格筛选所用的碳酸钙,以确保重金属元素含量符合卫生要求. 2)白度要尽可能高 无论重钙还是轻钙,其白度主要取决于资源.对于塑料材料来说,白度高低并不影响材料的力学性能和加工性能,但白度高给人的感觉好,同样的性能白度高的更具竞争优势. 3)吸油值越低越好
100g粉体材料所能吸收的邻苯二甲酸丁二醇酯(DBP)的最大量称之为该材料的吸油值.
对于某些塑料制品,如软质聚氯乙烯、人造革、电缆料等,需使用增塑剂,碳酸钙吸油值越高,越易将增塑剂吸附到填料中,使其失去增塑树脂的作用,从而为达到一定的柔软度需加大增塑剂用量,造成成本上升.通过对碳酸钙表面处理,将碳酸钙颗粒表面包覆,可以降低其吸油值.例如,经偶联剂处理的轻质碳酸钙其吸油值可从/100g降至/100g. 4)细度要适当,并非越细越好,粒径分布也要因需而定 对填充塑料来说,所用的填料粒径越小,同样填充比例时,其填充塑料材料的力学性能越好,但其前提是粉体颗粒在塑料基体中均匀分散,即以单个颗粒的形式像海岛一样分散在基体塑料的汪洋大海中.如果是凝聚体,甚至是大的团粒,则不仅不能带来好的影响,反而会成为材料中最薄弱的区域,比实体大颗粒的作用还要差.鉴于我国目前对粉体材料表面处理及在塑料基体中的分散技术还不十分理想,塑料行业中使用的加工机械设备还不足以将过细的粉体颗粒完全分散开来,因此非矿粉体加工企业不应追求越细越好.这也是纳米碳酸钙未能在塑料行业中推广使用的重要原因. 我们使用的重钙按粗细大致分为三大类,400目、800目和1250目,其实际使用的比例大约为60:30:10,也就是说,作为重钙产品,塑料行业用量最大的是400目的,当然现在用量增长最快的1250目的.表6 碳酸钙粒径大小对填充HDPE薄膜力学性能的影响
力学性能CaCO3粒径 拉伸强度(纵/横)/MPa 断裂伸长率(纵/横)/%
400目 / 309/286
1250目 / 342/347
2500目 / 350/410
