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      碳酸鈣的改性作用

      發布時間:2021-12-09
      傳統的觀念一直認為碳酸鈣的作用為兩個降低和一個提高:第一個是降低制品的成本,第二個是降低制品的性能;一個提高為提高復合材料的密度。降低制品成本是碳酸鈣的最大優勢,因為碳酸鈣的價格是所有填料中價格最低的品種,用其復合的塑料制品當然價格最低。

       傳統的觀念一直認為碳酸鈣的作用為兩個降低和一個提高:第一個是降低制品的成本,第二個是降低制品的性能;一個提高為提高復合材料的密度。降低制品成本是碳酸鈣的最大優勢,因為碳酸鈣的價格是所有填料中價格最低的品種,用其復合的塑料制品當然價格最低。

      例如,添加30%碳酸鈣的吹塑聚乙烯薄膜,成本可以比純新料可以降低20%。提高復合制品密度是因為碳酸鈣的密度為2.7 g/m3,遠遠大于樹脂的密度,從而導致復合材料的性能快速提升。而降低復合材料性能,是因為碳酸鈣與樹脂的相容性不好,難以形成良好的結合界面。

      近年來,隨著碳酸鈣加工技術的突飛猛進,隨著碳酸鈣表面處理技術的飛躍發展,碳酸鈣在降低制品成本的同時,也可改善制品的很多性能,而且有一些性能是獨一無二的。隨著微發泡技術日益成熟和空芯碳酸鈣技術開發成功,碳酸鈣復合材料的減重技術即將投入產業化生產。因此在這里我們有理由進行預測,未來塑料碳酸鈣復合材料可以測定改變傳統的兩個降低和一個提高的舊帽子,變成全新的兩個降低和一個提高,即降低復合產品成本、降低復合產品密度、提高復合制品性能,碳酸鈣從一個傳統的填充劑搖身一變成為全新的改性劑。

      傳統的塑料碳酸鈣復合材料,并不是導致復合材料的所有性能都降低,也可以改善復合材料很多改性,但是也導致很多性能下降,本文就具體介紹碳酸鈣對改性的正面作用和負面作用,以指導我們取長補短,找到碳酸鈣改性的研發方向。

      1碳酸鈣的正面改性作用
      1
      碳酸鈣的環保功效
      1
      節省石油資源
      PE中填充碳酸鈣含量30%計算,每年塑料包裝袋的產量300萬噸,可以節省90萬噸石基樹脂,可少用270萬噸石油。
      2
      賦予環保性能
      在焚燒處理的塑料垃圾袋中加入碳酸鈣,可以提升燃燒速度,大大縮短焚燒時間。具體原因為塑料薄膜中有碳酸鈣在燃燒時遇熱膨脹而產生無數微細小孔,增大了與氧氣接觸的可燃燒面積,促進燃燒速度。例如,含有30%碳酸鈣的聚乙烯塑料膜,燃燒時間由純塑料膜的12秒降低到4秒。填充碳酸鈣的塑料膜,由于碳酸鈣的燈芯作用,可以促使焚燒更徹底,減少黑煙的釋放量。還可以利用薄膜中碳酸鈣的堿性,吸收大量分散產生的酸性氣體,降低毒煙的釋放量,大大減少酸雨產生的幾率。
      日本規定焚燒的塑料垃圾袋必須含有30%的碳酸鈣,填充了碳酸鈣在焚燒時除了燃燒速度快外,可降低發熱量、不滴落、不冒黑煙,減輕二次公害,且不損傷焚化爐。
      2
      碳酸鈣的普遍改性功效
      1
      提高復合材料的剛性
      碳酸鈣可以改善復合材料的彎曲強度、彎曲模量、硬度、耐磨性等性能,對于塑料薄膜而言,復合材料剛性的提高可以明顯增加薄膜挺度,利于薄膜平整卷曲。
      2
      提高復合材料的尺寸穩定性
      尺寸穩定性的提高體現在降低收縮率、降低翹曲、降低線膨脹系數、降低蠕變、有利于各向同性等,碳酸鈣填充可以明顯改善尺寸穩定性。
      3
      提高復合材料的耐熱性
      碳酸鈣可以提高復合材料熱穩定性,原因為碳酸鈣可以吸收促進分解的物質。例如PBAT/碳酸鈣復合材料的熱穩定性明顯高于純PBAT。再如,尤其是在PVC制品中加入輕質碳酸鈣,可以吸收分解產生的氯化氫,大大改善PVC的加工熱穩定性。
      4
      改善薄膜的抗撕裂性能
      一般的塑料薄膜都存在縱向強度高、橫向強度低的缺點,尤其是PBS、PLA、PHA類脂肪族聚酯薄膜更明顯。加入碳酸鈣后,可以使復合材料各向同性程度提高,明顯提高抗撕裂性能。
      3
      碳酸鈣的特殊改性性能

      1對拉伸和沖擊性能的影響

      并不是所有的碳酸鈣都可以提高塑料薄膜的拉伸強度和沖擊強度,具有受到碳酸鈣粒度的影響和表面處理的影響。



      粒度大小的影響:碳酸鈣的粒度不同,對塑料的改性效果不同,具體見表1所示。一般粒徑在1000目以下,主要用于增量改性;粒徑在1000~3000目,添加量在10%以下,有一定改性效果;粒徑在5000目以上,屬于功能碳酸鈣,具有明顯的改性效果,可以改善拉伸強度、沖擊強度。納米級碳酸鈣雖然粒度更細,但因目前難以分散,只能做到與8000目碳酸鈣一樣的改性效果。


      1 不同粒徑的重質碳酸鈣對PP復合材料的性能影響
      從表1中可以看出,隨著碳酸鈣粒度變細,沖擊強度、拉伸強度、斷裂伸長率增大,彎曲強度和彎曲模量基本持平,但流動性下降。
      表面處理的影響:粒度適當的碳酸鈣如果表面處理的好,可以改善復合材料的拉伸強度、沖擊強度。近年來,隨著有機/無機復合理論的不斷發展,CaCO3已由原來單純的填充劑變為一種新型的功能性填充材料。例如用碳酸鈣制成的均聚PP/CaCO3復合材料,缺口沖擊強度較基體塑料可以提高一倍多。
      2
      燃燒時的抑煙作用

      CaCO3具有優異的抑煙作用,其原理在于它可以和煙霧中的鹵化氫反應(捕捉),使之生成穩定的CaCl2。因此凡在燃燒時產生鹵化氫的聚合物,如氯乙烯、氯磺化聚乙烯、氯丁橡膠等,都可以用CaCO3作為抑煙劑。由于燃燒反應屬固-氣非均相反應,只能在固體顆粒表面進行,所以CaCO3顆粒的粒徑大小就成為抑煙效果的重要因素。只有微小顆粒才具有大得多的比表面積,碳酸鈣的粒度越細,抑煙效果越好。


      3抗粘連劑

      含有碳酸鈣的吹塑筒狀薄膜開口性好,卷曲時不會產生粘連,碳酸鈣起到了開口劑的效果。

      4增大導熱速率

      碳酸鈣的加入提高了薄膜的導熱速率,從而使吹塑薄膜的膜泡冷卻比較快,提高生產效率,提高擠出機產量。以在PVC片材中加入25%輕質碳酸鈣為例,加熱到200℃溫度時僅僅需要3.5秒,而純PVC片材需要10.8秒,導熱速率提高3倍之多。


      5提高流動性

      碳酸鈣可以提高復合體系的流動性,減少熔體粘度和擠出機扭矩,增加擠出機產量,提高生產效率。不同品種碳酸鈣對流動影響不同,具體復合材料流動性大小順序大方解石碳酸鈣>大理石碳酸鈣、白云石碳酸鈣>小方解石碳酸鈣>輕質碳酸鈣。

      6配色性能

      替代部分白色顏料:高白度的碳酸鈣可以替代部分白色顏料如鈦白粉,從而節省高昂價格鈦白粉的含量,大方解石碳酸鈣因為白度高、遮蓋力大而成為首選。碳酸鈣之所以可以成為白色顏料,主要是因為其具有一定的遮蓋力,涂料的遮蓋力是指把色漆均勻涂布在物體表面上,使其底色不再呈現的最小用漆量


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