眾所周知,重質碳酸鈣(簡稱重鈣)和輕質碳酸鈣(簡稱輕鈣)是塑料工業(yè)中使用數量最大、應用面最廣的粉體填料。我國塑料制品的年產量已超過1萬噸,以塑料用粉體填料數量占塑料制品總量8%,碳酸鈣在各種粉體填料總量占70%計算,目前我國塑料工業(yè)每年使用的各種規(guī)格的碳酸鈣在570萬噸左右。碳酸鈣以價格低廉、使用方便、副作用少等多優(yōu)點成為塑料加工行業(yè)的增量材料,為碳酸鈣行業(yè)帶來巨大商機。
塑料制品行業(yè)每年應用570萬噸碳酸鈣,其經濟性是不言而喻的,由于可代替以石油為原料的合成樹脂,相當于國家少建2-3座大型石油化工廠,不僅可以節(jié)約數百億元的投資,而且節(jié)約下來的是地球上且日益成為國家必爭的戰(zhàn)略資源的石油,對環(huán)境的是不可磨滅的貢獻。
多年的應用實踐表明,碳酸鈣不僅可以降低塑料制品的原材料成本,而且還具有改善塑料材料某些性能的作用,近幾年來的研究更是獲得可喜成果,多家大專院校和科研單位的研究成果表明,不同種類的碳酸鈣如使用得當,可顯著提高基體塑料的性能,但輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣的區(qū)分一直困擾著多數用戶,本文作者分多個方面介紹其不同。
1 來源方式不同
輕質碳酸鈣是化學合成的碳酸鈣,又稱沉淀碳酸鈣、膠體碳酸鈣或者活性碳酸鈣,甚至可以生產出納米碳酸鈣,簡稱輕鈣。它是將石灰石原料煅燒生成石灰和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳,其主要成分氫氧化鈣,通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀,經脫水、干燥和粉碎制得,或者由碳酸納和氯化鈣進行復分解反應生成碳酸鈣沉淀,經脫水、干燥和粉碎制得。重質碳酸鈣簡稱重鈣,是用機械方法直接粉碎天然的方解石、大理石、白堊、貝殼等制得。
2 堆積密度不同
重鈣與輕鈣最明顯的區(qū)別就在于產品的堆積密度不同,重鈣產品的堆積密度較大,一般為0.8-1.3g/cm3;而輕鈣產品的堆積密度較小,多為0.5-0.7g/cm3;一些納米碳酸鈣產品的堆積密度甚至更低,可達到0.28g/cm3左右。由產品的包裝體積也可以粗略分辨出重鈣和輕鈣產品,一般重鈣產品多為25kg/包,產品包裝體積較小,而同等質量的輕鈣產品包裝體積明顯較大,一些納米碳酸鈣產品還采用15kg/包或20kg/包的包裝。
3 白度大小不同
由于重鈣產品相對雜質較多,因此產品白度一般為89%-93%,只有極少數的產品能達到95%。而輕鈣產品因為化學合成制成,去除了很多雜質,產品純凈度高,因此白度多為92%-95%,部分產品可以達到96%-97%,這也是輕鈣產品多用于高檔或淺色制品填充的主要原因。
4 水分含量不同
重鈣產品水分一般為0.2%-0.3%,水分含量比較低同時也較為穩(wěn)定,一些高檔的重鈣產品水分甚至可以達到0.1%左右。普通輕鈣產品水分0.3%-0.8%,有時會有一定的波動不太穩(wěn)定。傳統上重、輕鈣的區(qū)分就是用水份儀器測試水分,水分大到接近1%就是輕鈣,小到0.1%以下為重鈣。
5 粒徑大小不同
重鈣產品的粒徑為0.5-45um不等,產品粒徑因粉碎設備不同而不同。普通輕鈣產品的粒徑一般為0.5-15um,因顆粒形狀為紡錘形難以準確測定,一般是一個范圍;輕鈣中的納米碳酸鈣粒徑更細,尺寸一般為20-200nm。普通輕質碳酸鈣的粒度一般在2500目左右,可以滿足PVC管材和型材的性能需要,所以從粒度上考慮傳統上PVC管材和型材都選用輕質碳酸鈣。以往因粉碎設備的限制,重質碳酸鈣細度較大,現在重質碳酸鈣的粒度完全可以滿足需要,甚至比輕質碳酸鈣更細,所以目前PVC管材和型材兩者都可以選用。
碳酸鈣粒徑的測定可以用粒度分析儀。
6 味道不同
輕鈣因石灰石煅燒后去除掉很多雜質一般來說白度較高,純度也較高,但國產有的輕鈣因為氧化鈣反應不完全,殘留有石灰味道,如果用于食品行業(yè),如填充餅干則會有嗆人的味道,而重鈣沒有。另外,過多的氧化鈣會造成產品在水性體系偏堿性或者PH值不好調節(jié),導致成品不穩(wěn)定。此外,兩者的磷酸含量不同,輕鈣中有時為了調整PH值處于合理范圍需要加入少量磷酸,而重鈣則沒有。
7 顆粒形狀不同
用高倍顯微鏡看,重鈣產品由于采用機械粉碎和分級,顆粒形態(tài)一般多為立方體、多棱體、長方體等不規(guī)則形態(tài),具體見圖1所示。對于不同的重鈣加工方法,碳酸鈣的微觀形狀不同,例如用擂蒙磨加工的碳酸鈣為紡錘形,用氣流磨加工的碳酸鈣為顆粒形。
普通輕鈣的顆粒較為規(guī)則,在充分分散開來的情況下通常呈紡錘形,具體見圖2所示。對于輕質碳酸鈣,合成產品的顆粒形狀是可以人為控制的,可以在碳化過程中加入控制劑來實現控制。目前開發(fā)的控制劑有無機酸、無機堿、有機酸(氨基酸)、醇類、糖類、蛋白質和特殊結構的生物聚合物,例如用雙親水嵌段聚合物PEG-b-PMAA在不同濃度和不同PH值下可以分別制成菱形、花生形、長棒形、球形和啞鈴性外觀的碳酸,再如用樹枝形聚合物聚天冬氨酸可以制成螺旋形狀碳酸,又如加入陰離子右旋糖苷可以獲得球形碳酸鈣。
8 晶型不同
對于重質碳酸鈣不同產地碳酸鈣具有固定的晶形,破碎和細化不會改變晶型,一般方解石重鈣為六方晶型、大理石重鈣為立方晶型。對于輕質碳酸鈣,在具體碳化制備過程中,三種晶型碳酸鈣以不同比例同時出現,要想得到單一純凈的某一晶型,就要控制成型過程。輕質碳酸鈣的三種晶型為:
8.1 方解石晶型
這是碳酸鈣最穩(wěn)定的晶型,屬于六方晶系,通常條件下礦物碳酸鈣都以此種晶型存,具有此類晶型的碳酸鈣遮蓋力大、白度高、純度好、耐熱、耐腐蝕、耐化學穩(wěn)定。
8.2 文石晶型
常溫下是碳酸鈣亞穩(wěn)定晶型,屬于斜方晶系,具有此類晶型的碳酸鈣長徑比高,常用于聚合物的補強復合材料。
8.3 球霰石晶型
是碳酸鈣最不穩(wěn)定的晶型,只有在有機質材料中會有少量存在,并在短時間內會自動轉換為方解石晶型或文石晶,具有此類晶型的碳酸鈣對生物的生命和健康起著非常重要的作,研究發(fā)現樹枝狀聚合物電介質和某些低分子量聚合物電介質可以促進穩(wěn)定的球霰石晶型生成。
9 吸油值不同
輕質碳酸鈣的吸油值為60-90 ml/100mg,遠遠大于重質碳酸鈣的40-60 ml/100mg,因此吸收液體性和吸收樹脂性能很,如果配方含有液體助劑,應該選用吸油質小的重質碳酸,吸油值大的無機粉體會導致需要處理的偶聯劑量增加,例如碳酸鈣的吸油值由40ml/100mg增大到50ml/100mg,會導致偶聯劑用量增加30,在PVC配方中如果選擇輕質碳酸,就要多消耗液體助劑和PVC樹,因此從吸油值上考慮應該盡可能選擇吸油值低的重質碳酸鈣。
10 流動性不同
從流動性上考慮,輕質碳酸鈣的微觀結構為紡錘形狀,它的流動性不如重質碳酸鈣好,一般加入量超過25份就嚴重影響流動性,而重質碳酸鈣為顆粒狀,可以促進流動性,加入量不受限,在PVC管材配方中如果碳酸鈣添加超過25份,如果從流動性上考慮選用重質碳酸鈣。
11 價格不同
重質碳酸鈣的加工主要是通過機械破碎、研磨的方法實現的;輕質碳酸鈣的生產是通過化學反應沉淀后制取的,后者比前者的工藝復雜的多,要求也相應嚴格的多,因此同等粒徑的重質碳酸鈣要比輕質碳酸鈣便宜30%左右,如果性能允許可選擇重質碳酸鈣更經濟便宜。
12 改性功能不同
重、輕碳酸鈣兩者改性效果區(qū)分有細微區(qū)別,重質碳酸鈣對拉伸強度較好,而輕質碳酸鈣對沖擊強度和剛性較好,一般用輕鈣的塑料表面更光滑一些,而且密度會低一些;使用重鈣塑料加工流動性要好一些,而且粒徑較小的重鈣填充塑料性能也較好。
結論
正確區(qū)分好輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣,在具體配方設計時根據需要性能選取具有重要的意義,這樣就可以按需要選取材料,既可以滿足性能又可以降低成本。