（中國粉體技術網/班建偉）在塑料制品中，并不是所有的塑料品種都可以使用碳酸鈣礦物填料。那些要求完全透明，或者對材料的密度比較敏感的塑料制品，不能使用碳酸鈣填料，如飲料瓶、透明片、膜、衛生要求高的醫用塑料制品等。但相當多品種、相當大數量的塑料制品，或多或少地使用礦物填料，多的用到幾十質量份到幾百質量份，少的用幾份到十幾質量份。 表1列出目前一些使用碳酸鈣填料的塑料制品品種及使用碳酸鈣的情況。
一、碳酸鈣在塑料中的應用現狀
從理論上講，作為填充材料能夠用于塑料的粉體材料種類很多。但從經濟、技術方面存在著諸多問題，影響了無機粉體的應用，目前常用的有碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、 云母粉、硅灰石粉以及具有特殊功能的水鎂石粉、重晶石粉或沉淀硫酸鋇等。其中碳酸鈣 (包括重質碳酸鈣和輕質碳酸鈣) 和滑石粉的使用量分別占總使用量的70%和5% 左右。這主要是因為在塑料中，使用填料最初的動力，來自節約合成樹脂和降低塑料制品原材料成本。碳酸鈣的廉價(資源豐富，便宜易得)、使用方便 (無結晶水，易干燥)、不良影響小(包括硬度低，對加工機械模具影響小;顏色白，有利配色; 化學穩 定性好、不易分解、無毒、無味、無腐蝕性) 等特點，使它穩居使用量的首位。
表1 塑料制品使用碳酸鈣的情況
| 塑料制品 |
使用填料
種類 |
添加量/phr |
主要作用 |
聚丙烯扁絲
聚丙烯打包帶
聚乙烯薄膜
聚乙烯管材
聚丙烯注塑制品
聚乙烯垃圾袋
聚丙烯快餐托盤
汽車保險杠
汽車、家電部件
聚氯乙烯門窗異型材
聚氯乙烯管材
聚氯乙烯發泡材料
聚氯乙烯裝飾板
電纜護套料
聚氯乙烯人造革
動力電纜芯繩
板框壓濾機過濾板
空調中、電視機、洗衣機等外殼及零部件 |
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣
碳酸鈣 |
10～20
50～150
40～50
20～40
40～50
40～50
50～200
20～30
30～50
10
20～60
30～80
50～200
10～15
10～60
180～200
40～50
40～60 |
增量、增白、改善印刷性
增量、提高摩擦系數
增量、有益于環境保護
增量
可代替ABS降低成本
有利于降解、焚燒等處理
降低成本、提高尺寸穩定性
保持剛性、高低溫抗沖擊性
提高耐熱性
提高剛性和成型加工性
降低成本
降低成本、提高發泡均勻性
降低成本
降低成本
增量、降低成本
降低成本
提高結晶度、降低成本
降低成本、提高尺寸穩定 |
注： ①質量份為以基體樹脂為100份，添加礦物填料的質量份數。
多年的科研與實踐工作表明，填充改性必須在填料本身、填料與基體塑料結合的界面、填充體系加工與填充塑料的性能與應用等方面把有關問題解決好，才能使粉體材料 在塑料中的應用落到實處。
二、碳酸鈣表面改性處理的重要性
碳酸鈣屬于無機礦物材料，表面呈親水性，合成樹脂是有機材料，呈親油性，當兩 種材料僅僅依靠物理方法或外力作用使其相聚在一起時，由于結構表面存在‘對立’ 性，它們的結合界面往往存在著結構的隔離層，難以相容在一起。
采用表面活化改性技術，加入適量的助劑，在一定的溫度、壓力、摩擦、時間等作 用下，使無機粉體親水性轉換為親油性材料，無機粉體與有機材料可‘親密’ 地成為 牢固地結合體。這項表面改性活化工藝技術，可大大提高填料在塑料中的用量的同時， 可明顯改善塑料制品的物理性能和加工性能，可有效地擴大無機粉體在塑料中的應用領 域和添加量，具有顯著的經濟效益和社會效益。
圖1 高速混合機及其工作原理
1—鍋蓋 2—外套 3—導流板 4—攪拌槳 5—驅動軸 6—排料口 7—氣缸 8—夾套
目前常用的表面活化工藝裝備有高速加熱混合機，它的工作原理如圖1所示。
高速旋轉的攪拌槳借助呈一定角度傾斜的表面與物料產生的摩擦力使物料沿槳面切向運動，同時由于離心力的作用，物料被拋向混合室內壁，并沿壁面上升，當上升到一定高度后，由于重力作用和導 流板的折阻導流效能，使物料又落回鍋的中心，接著又被拋起。這種上升運動與切向運動的結合，使物料實際上處于連續的 螺旋式往復運動狀態。由于攪拌槳葉轉速 很高 (一般分600r/min和1000r/min兩 擋)，物料運動速度也很快，快速運動著的粒子間相互碰撞、摩擦，使得凝聚 在一起的粒子團塊被破碎，同時物料溫 度在摩擦作用和受鍋壁加熱也相應升高?；旌鲜覂鹊膶Я靼逶谏a中的混合作用非常重要，它可以使螺旋運動的物料流動狀態被攪亂，使物料呈無規則運動，并在導流板附近形成強烈的漩渦，導流板還增加物料的摩擦力，提高剪切力，使物料的溫度在短時間升高，增加相容性，達到預塑化的效果。
應當指出的是通常的高速混合機并不是為粉體填料的表面處理改性設計制造的，它是為聚氯乙烯樹脂的預塑化和與各種輔料混合而準備的，但由于初期使用的填料顆粒粒徑較大，高混機的使用效果還可以，因此成為目前填料表面改性的主要設備。
針對高混機用于填料表面處理改性所暴露出的不足，設備制造廠已做了許多針對性的改進，如攪拌槳的形狀、尺寸、導流板的位置和形狀，出料口的大小及閉合裝置，電機的功率，鍋體加熱的方式以及溫度的控制等，可以說在目前的改性要求中，除粉塵較大和間歇操作兩條外，高速混合機仍然是首選的粉體填料表面處理的 設備。
瑞典AGMW公司制造的HSTP-3/1000三筒連續高速混合機，使物料和改性劑依次經過三個強烈混合室，由轉子葉片和定子對粉體填料形成沖擊、剪切和摩擦，從而使改性劑迅速與物料接觸并實現包覆或發生化學反應。國內也有廠家開發研制了類似設備。
青島青礦礦山設備有限公司研制成功PSC粉體表面改性機，實現了粉體表面處理 連續化生產，粉體表面包覆率達99%以上，且顆粒間無黏結現象，顆粒尺寸也不會增大，每小時處理量依據型號分別可達到1.0t、1.5t和3.0t。圖1為PSC粉體表面改性機的工藝流程示意圖。
圖1 PSC粉體表面改性機的工藝流程示意圖
近年來針對已有的各種方法仍不能滿足對粉體填料改性更高要求的情況，一些新的改性機理和改性劑也在不斷的出現，并呈現出巨大的技術和經濟優勢。
根據粉體表面原位化學改性，可在不同高分子基材中實現填充、增強、增韌、防沉 降、降黏、抗靜電、增艷、紫外線吸收、電磁波屏蔽、消音、抗震等，需要研究能最好 體現上述某種功能的改性物，包括官能團、結構、鏈長和空間位阻及其對改性過程、儲存穩定性及應用目的等方面的影響。
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