眾所周知,重質(zhì)碳酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)重鈣)和輕質(zhì)碳酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)輕鈣)是塑料工業(yè)中使用數(shù)量最大、應(yīng)用面最廣的粉體填料。我國(guó)塑料制品的年產(chǎn)量已超過(guò)1萬(wàn)噸,以塑料用粉體填料數(shù)量占塑料制品總量8%,碳酸鈣在各種粉體填料總量占70%計(jì)算,目前我國(guó)塑料工業(yè)每年使用的各種規(guī)格的碳酸鈣在570萬(wàn)噸左右。碳酸鈣以價(jià)格低廉、使用方便、副作用少等多優(yōu)點(diǎn)成為塑料加工行業(yè)的增量材料,為碳酸鈣行業(yè)帶來(lái)巨大商機(jī)。
塑料制品行業(yè)每年應(yīng)用570萬(wàn)噸碳酸鈣,其經(jīng)濟(jì)性是不言而喻的,由于可代替以石油為原料的合成樹(shù)脂,相當(dāng)于國(guó)家少建2-3座大型石油化工廠,不僅可以節(jié)約數(shù)百億元的投資,而且節(jié)約下來(lái)的是地球上且日益成為國(guó)家必爭(zhēng)的戰(zhàn)略資源的石油,對(duì)環(huán)境的是不可磨滅的貢獻(xiàn)。
多年的應(yīng)用實(shí)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(lái)的研究更是獲得可喜成果,多家大專(zhuān)院校和科研單位的研究成果表明,不同種類(lèi)的碳酸鈣如使用得當(dāng),可顯著提高基體塑料的性能,但輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣的區(qū)分一直困擾著多數(shù)用戶,本文作者分多個(gè)方面介紹其不同。
1 來(lái)源方式不同
輕質(zhì)碳酸鈣是化學(xué)合成的碳酸鈣,又稱(chēng)沉淀碳酸鈣、膠體碳酸鈣或者活性碳酸鈣,甚至可以生產(chǎn)出納米碳酸鈣,簡(jiǎn)稱(chēng)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(jīng)脫水、干燥和粉碎制得,或者由碳酸納和氯化鈣進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀,經(jīng)脫水、干燥和粉碎制得。重質(zhì)碳酸鈣簡(jiǎn)稱(chēng)重鈣,是用機(jī)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(chǎn)品的堆積密度不同,重鈣產(chǎn)品的堆積密度較大,一般為0.8-1.3g/cm3;而輕鈣產(chǎn)品的堆積密度較小,多為0.5-0.7g/cm3;一些納米碳酸鈣產(chǎn)品的堆積密度甚至更低,可達(dá)到0.28g/cm3左右。由產(chǎn)品的包裝體積也可以粗略分辨出重鈣和輕鈣產(chǎn)品,一般重鈣產(chǎn)品多為25kg/包,產(chǎn)品包裝體積較小,而同等質(zhì)量的輕鈣產(chǎn)品包裝體積明顯較大,一些納米碳酸鈣產(chǎn)品還采用15kg/包或20kg/包的包裝。
3 白度大小不同
由于重鈣產(chǎn)品相對(duì)雜質(zhì)較多,因此產(chǎn)品白度一般為89%-93%,只有極少數(shù)的產(chǎn)品能達(dá)到95%。而輕鈣產(chǎn)品因?yàn)榛瘜W(xué)合成制成,去除了很多雜質(zhì),產(chǎn)品純凈度高,因此白度多為92%-95%,部分產(chǎn)品可以達(dá)到96%-97%,這也是輕鈣產(chǎn)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(chǎn)品水分一般為0.2%-0.3%,水分含量比較低同時(shí)也較為穩(wěn)定,一些高檔的重鈣產(chǎn)品水分甚至可以達(dá)到0.1%左右。普通輕鈣產(chǎn)品水分0.3%-0.8%,有時(shí)會(huì)有一定的波動(dòng)不太穩(wěn)定。傳統(tǒng)上重、輕鈣的區(qū)分就是用水份儀器測(cè)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(chǎn)品的粒徑為0.5-45um不等,產(chǎn)品粒徑因粉碎設(shè)備不同而不同。普通輕鈣產(chǎn)品的粒徑一般為0.5-15um,因顆粒形狀為紡錘形難以準(zhǔn)確測(cè)定,一般是一個(gè)范圍;輕鈣中的納米碳酸鈣粒徑更細(xì),尺寸一般為20-200nm。普通輕質(zhì)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(tǒng)上PVC管材和型材都選用輕質(zhì)碳酸鈣。以往因粉碎設(shè)備的限制,重質(zhì)碳酸鈣細(xì)度較大,現(xiàn)在重質(zhì)碳酸鈣的粒度完全可以滿足需要,甚至比輕質(zhì)碳酸鈣更細(xì),所以目前PVC管材和型材兩者都可以選用。
碳酸鈣粒徑的測(cè)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(zhì)一般來(lái)說(shuō)白度較高,純度也較高,但國(guó)產(chǎn)有的輕鈣因?yàn)檠趸}反應(yīng)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(huì)有嗆人的味道,而重鈣沒(méi)有。另外,過(guò)多的氧化鈣會(huì)造成產(chǎn)品在水性體系偏堿性或者PH值不好調(diào)節(jié),導(dǎo)致成品不穩(wěn)定。此外,兩者的磷酸含量不同,輕鈣中有時(shí)為了調(diào)整PH值處于合理范圍需要加入少量磷酸,而重鈣則沒(méi)有。
7 顆粒形狀不同
用高倍顯微鏡看,重鈣產(chǎn)品由于采用機(jī)械粉碎和分級(jí),顆粒形態(tài)一般多為立方體、多棱體、長(zhǎng)方體等不規(guī)則形態(tài),具體見(jiàn)圖1所示。對(duì)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(kāi)來(lái)的情況下通常呈紡錘形,具體見(jiàn)圖2所示。對(duì)于輕質(zhì)碳酸鈣,合成產(chǎn)品的顆粒形狀是可以人為控制的,可以在碳化過(guò)程中加入控制劑來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。目前開(kāi)發(fā)的控制劑有無(wú)機(jī)酸、無(wú)機(jī)堿、有機(jī)酸(氨基酸)、醇類(lèi)、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)和特殊結(jié)構(gòu)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(zhǎng)棒形、球形和啞鈴性外觀的碳酸,再如用樹(shù)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(duì)于重質(zhì)碳酸鈣不同產(chǎn)地碳酸鈣具有固定的晶形,破碎和細(xì)化不會(huì)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(duì)于輕質(zhì)碳酸鈣,在具體碳化制備過(guò)程中,三種晶型碳酸鈣以不同比例同時(shí)出現(xiàn),要想得到單一純凈的某一晶型,就要控制成型過(guò)程。輕質(zhì)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(lèi)晶型的碳酸鈣遮蓋力大、白度高、純度好、耐熱、耐腐蝕、耐化學(xué)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(lèi)晶型的碳酸鈣長(zhǎng)徑比高,常用于聚合物的補(bǔ)強(qiáng)復(fù)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(jī)質(zhì)材料中會(huì)有少量存在,并在短時(shí)間內(nèi)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為方解石晶型或文石晶,具有此類(lèi)晶型的碳酸鈣對(duì)生物的生命和健康起著非常重要的作,研究發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀聚合物電介質(zhì)和某些低分子量聚合物電介質(zhì)可以促進(jìn)穩(wěn)定的球霰石晶型生成。
9 吸油值不同
輕質(zhì)碳酸鈣的吸油值為60-90 ml/100mg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重質(zhì)碳酸鈣的40-60 ml/100mg,因此吸收液體性和吸收樹(shù)脂性能很,如果配方含有液體助劑,應(yīng)該選用吸油質(zhì)小的重質(zhì)碳酸,吸油值大的無(wú)機(jī)粉體會(huì)導(dǎo)致需要處理的偶聯(lián)劑量增加,例如碳酸鈣的吸油值由40ml/100mg增大到50ml/100mg,會(huì)導(dǎo)致偶聯(lián)劑用量增加30,在PVC配方中如果選擇輕質(zhì)碳酸,就要多消耗液體助劑和PVC樹(shù),因此從吸油值上考慮應(yīng)該盡可能選擇吸油值低的重質(zhì)碳酸鈣。
10 流動(dòng)性不同
從流動(dòng)性上考慮,輕質(zhì)碳酸鈣的微觀結(jié)構(gòu)為紡錘形狀,它的流動(dòng)性不如重質(zhì)碳酸鈣好,一般加入量超過(guò)25份就嚴(yán)重影響流動(dòng)性,而重質(zhì)碳酸鈣為顆粒狀,可以促進(jìn)流動(dòng)性,加入量不受限,在PVC管材配方中如果碳酸鈣添加超過(guò)25份,如果從流動(dòng)性上考慮選用重質(zhì)碳酸鈣。
11 價(jià)格不同
重質(zhì)碳酸鈣的加工主要是通過(guò)機(jī)械破碎、研磨的方法實(shí)現(xiàn)的;輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉淀后制取的,后者比前者的工藝復(fù)雜的多,要求也相應(yīng)嚴(yán)格的多,因此同等粒徑的重質(zhì)碳酸鈣要比輕質(zhì)碳酸鈣便宜30%左右,如果性能允許可選擇重質(zhì)碳酸鈣更經(jīng)濟(jì)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(xì)微區(qū)別,重質(zhì)碳酸鈣對(duì)拉伸強(qiáng)度較好,而輕質(zhì)碳酸鈣對(duì)沖擊強(qiáng)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(huì)低一些;使用重鈣塑料加工流動(dòng)性要好一些,而且粒徑較小的重鈣填充塑料性能也較好。
結(jié)論
正確區(qū)分好輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣,在具體配方設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)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。