碳酸鈣在塑料應用中的相關技術特征

　　碳酸鈣在塑料應用中的相關技術特征。

　　1 幾何特征

　　通常粉體材料以顆粒形式作為填料使用。顆粒的形狀并不十分規則，但對塑料的性能來說，填料顆粒的幾何形狀對填充體系的物理力學性能有著重要的影響，因此粉體材料的顆粒形狀是使用時首先需要予以關注的。

　　對于片狀顆粒，往往采用徑厚比的概念，即片狀顆粒的平面尺寸 (縱向或橫向) 與厚度之比; 對于纖維狀顆粒，往往采用長徑比的概念，即纖維狀顆粒的長度與直徑 之比。

　　碳酸鈣的顆粒形狀大都呈四方體、六方體、多方體及不規則方形顆粒狀，它的形狀在塑料加工中對流動性及制品的物理性能影響非常重要。

　　2 粒徑

　　填充改性技術重要的一點是，將粉體顆粒均勻地、盡可能一個一個地分散到塑料基 體中，如同大海中的大大小小的島嶼，稱之為海島結構。一般說來，填料顆粒的粒徑越小，假如能夠分散均勻，則填充體系的力學性能越好; 但粒徑越小，加工成本越高，實 現其均勻分散越困難。因此，了解粉體顆粒的粒徑大小及其分布情況并根據實際需要加以選擇是非常重要的。

　　目前對粉體顆粒粒徑大小及其分布的表述有很多種，在沒有統一的命名方法和規定之前，塑料行業也經常使用的是目數的方式，即用粉體材料的顆粒能夠通過多少目的篩子的目數來表示其粒徑大小。實際上這種方法測到的目數是指這種規格的粉體顆粒中尺寸最大的顆粒在三維方向上最大的尺寸。

　　在塑料制品中要求鈣粉的粒徑分布越窄越好，即分級出最小粒徑和最大粒徑，按照使用要求，采集粒徑在一定范圍內的產品，保證產品的分散性、透明性、力學性能及吸油率。

　　3 比表面積

　　填料顆粒表面粗糙程度不同。即同樣體積的顆粒，其表面積不僅與顆粒的幾何形狀有關(球形表面積最小)，也與其表面的粗糙程度有關。比表面積即單位質量填料的表面積，它的大小對填料與樹脂之間的親和性、填料表面活化處理的難易與成本都有直接關系。

　　4 表面自由能

　　填料顆粒表面自由能大小關系到填料在基體樹脂中分散的難易。當比表面積一定時，表面自由能大，顆粒相互之間越容易凝聚，越不易分散。在填料表面處理時，降低其表面自由能是主要目標之一。

　　5 密度

　　填料的密度與填料顆粒堆砌狀態有關。由于輕質碳酸鈣的顆粒呈現紡錘形，而重質碳酸鈣的顆粒呈破碎的石塊形，在堆砌時，顆粒之間存在空隙，而前者的體積明顯大于后者，因而輕質碳酸鈣的表觀密度小于重質碳酸鈣，但這并不意味輕鈣 ‘輕’，重鈣 ‘重’，因為就其單個顆粒來說它們之間的差別非常小，前者2.4～2.7g/cm3，后者為 2.7～2.9g/cm3。在塑料填充改性領域，真正影響填充體系整體密度的是填料單個顆粒的密度以及它們在塑料基體中的存在形式——是否凝聚在一起，以及和基體塑料分子之 間有無空隙等。

　　6 吸油值

　　單位質量的填料能夠吸收增塑劑二辛酯 (DOP) 的量稱之為吸油值。在使用增塑劑的塑料制品中，如果填料的吸油值高，就會增大增塑劑的消耗。填料吸油值的大小與填料粒徑大小、分布以及顆粒表面的構造有關。輕質碳酸鈣的吸油值往往是重質碳酸鈣的幾倍，因此，在達到對樹脂增塑同樣效果的情況下，使用重鈣可以減少增塑劑的用量。一般重鈣要求吸油值小于35mL/100g。

　　7 硬度

　　填料顆粒本身的硬度具有雙重性，一方面硬度高的填料可以使填充塑料材料的耐磨性提高，另一方面由于加入了填料，尤其是硬度高的填料，填充體系在加工過程中容易 對物料所接觸的加工設備與模具的表面造成嚴重磨損，而這種磨損嚴重時，帶來的經濟損失遠遠超過使用填料帶來的利益，就會影響這種粉體材料在塑料中的應用。

　　莫氏硬度是材料之間刻痕能力的相對比較。人的手指甲莫氏硬度為2，可以在滑石 上劃出刻痕，但在方解石上就無能為力了。

　　當然，硬度大小不同的填料對加工設備的磨損是不同的，另一方面對于某種硬度的填料，加工設備的金屬表面的磨損強度隨填料粒徑的增加而上升，到一定粒徑后其磨損 強度趨于穩定。此外，相對研磨的兩種材料的硬度之差也與磨損強度大小有關。一般認為，金屬強度高于1.25倍的磨料硬度時，屬于低磨損情況; 金屬強度為0.8～1.25倍 的磨料硬度時，屬于中磨損情況; 金屬強度低于0.8倍的磨料硬度時，屬于高磨損情況。

　　例如，通常用于塑料擠出機的螺筒和螺桿的金屬材料為38CrMoAl合金鋼，經氮化處理，其維氏硬度為800～900，而重鈣的維氏硬度為140左右。故填充碳酸鈣的塑料用擠出機加工，盡管有磨損，但不特別顯著，起碼可以令人忍受;而粉煤灰玻璃微珠或 、石英砂，其維氏硬度在1000以上，這些材料填充塑料對氮化鋼的磨損極為嚴重，加工 幾十噸物料以后，其螺桿的氮化層就不存在了 (氮化層約0.4mm厚)。將普通45號鋼 做滲硼處理，其維氏硬度可達2000左右，這時，同樣的玻璃微珠或石英砂填充的物料 對螺桿的磨損就十分輕微了，只相當于重鈣對氮化鋼的磨損。

　　8 白度

　　填料的白度高低對填充塑料材料及制品的色澤乃至外觀有著至關重要的影響。通常白度越高，對填充塑料著色的影響越小，僅僅影響色彩的鮮艷程度。由于目前還沒有完全透明的填料，因此填充塑料往往是不透明的，如果填料的顏色白度不高或呈其他色 澤，則只能做黑色或深色的塑料制品。

　　9 折射率

　　塑料材料本身對光的折射率有很大差別，多數通用塑料的折射率在1.50～1.60。當粉體填料的折射率與塑料基體的折射率相同或相近時，它們加入到基體塑料中后對光的遮蓋性影響較小，反之填充塑料對光的遮蓋作用就強。

　　對多數礦物來說其折射率還不止一個。具有立方點陣結構的晶體和各向同性的無定形物質才具有唯一的折射率，如食鹽是典型的等軸 (立方) 晶體，而玻璃是典型的各 向同性無定形非結晶物質。方解石和石英等晶體有兩個相等的短軸并垂直于第三軸 (長軸)。光線沿長軸傳播時，其傳播速度是不變化的，而當光線沿其他方向傳播時， 被分解為兩種不同速度的光線，產生兩個折射率。方解石的兩個折射率分別為1.658和 1.486，石英的兩個折射率分別為1.553和1.554。

　　10 光線的吸收和反射

　　紫外線可使聚合物的大分子發生降解。紫外線的波長范圍為0.01～0.4μm，炭黑和石墨作為填料使用，由于它們可吸收這個波長范圍的光波，故可以保護所填充的聚合物避免發生紫外線照射引發的降解。有的物質不僅可以吸收紫外線，還可通過重新發光 把波長較短的紫外光轉化為波長較長的可見光，如果將其作為填料使用，不僅可避免紫外線的破壞作用，還可增加可見光輻射的能量。

　　紅外線是0.7μm以上波長范圍的光波。有的填料可以吸收或反射這個波長范圍的光波。在農用大棚膜中使用云母、高嶺土、滑石粉等填料，可以有效降低紅外線的透過率，從而顯著提高農用大棚膜的保溫效果。

　　11 電性能

　　金屬是電的優良導體，因此金屬粉末作為填料使用可影響填充塑料的電性能。但只要填充量不大，樹脂基體包裹每一個金屬填料的顆粒，其電性能的變化就不會發生突變。只有當填料用量增加致使金屬填料的顆粒達到互相接觸的程度時，填充塑料的電性 能將會發生突變，體積電阻率顯著下降。

　　礦物制成的填料都是電的絕緣體，從理論上說，它們不會對塑料基體的電性能帶來影響。需要注意的是由于周圍環境的影響，填料的顆粒表面上會凝聚一層水分子，依填料表面性質不同，這層水分子與填料表面結合的形式和強度都有所不同，因此，填料在分散到樹脂基體中以后，所表現出的電性能有可能與單獨存在時所反映出來的電性能不相同。此外，填料在粉碎和研磨過程中，由于價鍵的斷裂，很有可能帶上靜電，形成吸附的聚集體，這在制作細度極高的微細填料時更容易發生。

　　12 水分

　　碳酸鈣自身不易吸水，不含結構水和結晶水，但在通常礦石采集、儲存、加工及倉儲過程中，因粉體顆粒極小，易吸收水分。塑料在使用中對水分含量的要求極高，粉體 標準要求≤0.5%，實際應用時，粉體含水量應≤0.3%，含水量越小對塑料制品的影響越小。

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