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碳酸鈣在塑料中應用進展及常見問題

碳酸鈣是塑料加工時使用的最重要無機粉體添加劑之一。本文就碳酸鈣和塑料加工兩個行業都非常關注的幾個問題發表看法,以期對正確使用碳酸鈣并使其應用更加拓展起到澄清和促進作用。
    1 碳酸鈣在塑料中的重要作用
    我國已成為塑料制品生產和消費的大國,2006年塑料制品的產量已超過4000萬噸,穩居世界第二位,而且二十多年來始終保持兩位數的年增長率。可以預見隨著國內消費需求增長和作為世界性制造基地向國際市場供應的出口數量增加,今后相當長的時期,我國塑料制品的年產量還將持續快速增長。
    在塑料加工過程中除合成樹脂作為基礎原料外,科學地、正確地、合理地使用各種添加劑和助劑是無可非議的,其中無機礦物粉體材料是最重要的添加劑之一。正如大家所知道的,在塑料中添加無機礦物粉體材料可以起到降低原材料成本、提高性能和賦予新的功能的重要作用,近年來又進一步發現使用無機礦物粉體材料對減輕白色污染、保護,環境的環保功效,在當今強調實施循環經濟,建設資源能源節約型、環境友好型社會的大潮流中,更凸顯無機礦物粉體材料在塑料中應用的重大意義。
    并不是所有的塑料材料及制品中都要添加無機礦物粉體材料,也不是都添加相同的數量,在統計塑料中使用的無機礦物粉體材料數量時,通常按塑料材料及制品總產量的10%計算,即目前我國塑料加工行業每年使用的無機粉體材料至少在400萬噸以上。碳酸鈣(包括重鈣和輕鈣)是使用最為廣泛,用量最大的無機礦物粉體材料,在所使用的無機礦物粉體材料總量中,碳酸鈣占到70%以上,不僅僅是因為碳酸鈣資源豐富、價格低廉,碳酸鈣的穩定性好、色澤單純、低磨耗、易干燥、易加工、無毒等諸多優點也是得到普遍大量使用的重要原因。
    縱觀塑料行業使用碳酸鈣的歷史,可以認為自上世紀六十年代我國塑料工業起步以來,碳酸鈣的應用就始終伴隨著塑料加工工業的發展而發展。最初碳酸鈣在塑料中應用的思路得益于輕質碳酸鈣在橡膠材料及制品中的應用經驗,這也是為什么輕鈣的使用要早于重鈣,而且一直延續到今天的緣故。上世紀八十年代開始,隨著我國改革開放的逐步深入,以資源經濟為主要特征的重質碳酸鈣的加工和應用迅速興起,以填充母料為代表的大量使用重質碳酸鈣的歷史時期來臨。到上世紀九十年代中期,重鈣的加工出現飛躍,粒徑在10μm以下的超細重鈣開始進入市場,重鈣與輕鈣并用,不同粗細范圍的重鈣并舉的第三階段開始。到本世紀初,納米碳酸鈣實現產業化,為碳酸鈣在塑料中的應用開辟出一片新天地。
    1和表2分別列出塑料制品行業基本情況和制品產量情況,表3列出在主要塑料制品中使用碳酸鈣、滑石粉、高嶺土等無機礦物粉體材料的情況。
    2 塑料加工企業對所使用的碳酸鈣的基本要求
碳酸鈣作為塑料常用的粉體材料具有許多其它粉體材料所不具備的優點,如白度高、易表面有機化處理、對加工設備及模具的磨損輕、成型加工流動性好等,加之資源豐富、價格低廉,成為塑料加工行業首選的無機礦物粉體材料。依據目前塑料加工企業的思路和經驗,在選用碳酸鈣時所考慮的因素構成對碳酸鈣的基本要求。
    (1)價格低廉
盡管碳酸鈣相對合成樹脂其價格已十分低廉,相對其它任何一種粉體材料也稱得上物美價廉,但因供應商多,企業仍然對價格敏感,在可以使用的前提下越便宜越好。
    (2)白度越高越好
碳酸鈣本身的色澤較之其它無機礦物粉體材料都要白,從具體數值上說達到90度就可以了,白度對填充塑料性能的影響并不顯著,但塑料加工企業仍然希望白度越高越好是基于
    如下原因:
    ①白度越高表明純度越高,非碳酸鈣的其它礦物成份含量越低。
鈣粉發灰表明可能存在游離碳,發黃表明可能有較多的鐵化合物,發暗表明硅的含量高。雜質含量高有時會影響填充塑料制品的色澤、外觀及在加工過程中對加工設備和模具造成較重的磨損等。
    ②白度越高,直觀印象越好,越顯檔次高。
    ③白度越高,搭配其它顏料后,最后的色澤越正、越穩定均一。
    (3)粒度及其分布要適當
作為一種粉體材料,一是要考慮本身在測試條件下顆粒本身的粒度及其某一尺寸范圍的顆粒所占比例的多少,二是要從實際應用出發考慮這些顆粒的存在狀態,是否團聚在一起,在填充體系加工過程中團聚體能否分散開來,像大海中的大大小小的海島一樣分散在基體塑料的“海洋”之中?
    ①從成本上考慮,只要能滿足使用要求,寧可用粗的,不用細的。例如生產聚丙烯編織袋(布)用的扁絲所用的重鈣,其粒度400目即可,如果用更細的鈣粉,不僅本身的價格明顯提高,而且在制作填充母料時,還要耗用更多的助劑和載體樹脂,得不償失。
    ②從填充塑料的性能上考慮,在可以適當增加成本的前提下,用粒度更細的效果會更好。表4列出不同粒度的重鈣在相同填充條件下對聚乙烯(PE)塑料薄膜性能的影響。
    ③從加工流動性角度考慮,在控制好最大粒徑的前提下,平均粒徑大些為好。
對同一粒度的碳酸鈣產品,其粒徑分布可能千差萬別,這從平均粒徑上可以反映出來。對要求有較好加工流動性的塑料制品(如注塑成型制品、流延法PE薄膜等)切不可用平均粒徑太小的鈣粉,如果可能的話,最好是在控制好最大粒徑的前提下,將小粒徑的顆粒分離出去。這是因為粒徑小的顆粒越多,填充體系的加工流動性越差。

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