塑料制品行業(yè)中碳酸鈣粉料創(chuàng)新應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（一）

塑料制品行業(yè)中碳酸鈣粉料創(chuàng)新應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（一）

1、概論

        塑料作為一種新型人造材料，已廣泛應用在國民經(jīng)濟各行各業(yè)和人民生活中?？梢赃@么說：塑料無處不在、無人不用。通常生產(chǎn)塑料制品的原料是采用純樹脂，如PE、PP、ABS等直接加工成型。隨著現(xiàn)代科學技術發(fā)展，對塑料制品材料性能提出更高的要求，純樹脂顯得力不從心，相反在純樹脂中添加各類非金屬和金屬粉體材料，可以提升塑料樹脂的各類性能，以達到所需要的技術指標和高性價比，其中用量最大的是非金屬礦物材料，例碳酸鈣等粉體材料。塑料改性加工奇妙地和非金屬礦、粉體加工、超細粉碎等行業(yè)結(jié)合起來，促進了塑料改性的發(fā)展。人類社會進入二十一世紀以來，圍繞現(xiàn)代塑料加工改性行業(yè)，已經(jīng)形成了一個綜合性以塑料樹脂為主，各種添加劑、加工助劑為輔，各種塑料成型加工機械，化工合成、鋼鐵生產(chǎn)加工、粉體加工等多種加工工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈。

2、碳酸鈣粉體在塑料中所起的作用和應用特點

        碳酸鈣等粉料添加在塑料中所起的作用可概括下列二大作用：

      （1）增量作用。在塑料中加入廉價的填料作為填充劑以降底成本。其代表性實例如在聚氯乙烯和聚丙烯中加入大量的碳酸鈣。

      （2）補強作用。提高塑料制品的物理機械性能。例如加入碳酸鈣等粉料可提高低壓聚乙烯的彎曲彈性模量。而補強效果在一定程度上取決于填料的形態(tài)因素如“外形、粒徑”等物性。

        一般認為，碳酸鈣等粉料的加入對塑料物理機械性能的影響大致遵循這樣的規(guī)律：即塑料制品的比重隨粉料的加入量增加而增大；塑料制品的表面硬度隨粉料的加入量增加而增大；塑料制品的剛性隨粉料的加入量增加而增大；塑料制品的抗彎強度隨粉料的加入量增加而下降；塑料制品的斷裂伸長率隨粉料的加入量增加而下降；塑料制品的表面光澤度隨粉料的加入量增加而下降；塑料制品的沖擊強度隨粉料的加入量增加一般為下降；但當粉料外型為針狀、纖維狀時，一般為增強；塑料制品的耐溫性隨粉料的加入量增加而增大。

        由于碳酸鈣等粉料的加入對塑料制品的性能有很大影響，所以對碳酸鈣等粉料的選用要求有以下幾點：

       （1）化學穩(wěn)定性高，耐熱性好，不影響塑料樹脂原有的物理機械性能。

       （2）與其它加工助劑成惰性，共混后不發(fā)生化學反應。

       （3）在塑料樹脂中分散混合性好，不影響加工性能，對設備磨損小。

       （4）吸油量和吸收塑料樹脂量小。

       （5）不含促進樹脂加速分解的雜質(zhì)。

       （6）添加后引起塑料制品因彎曲、拉伸而產(chǎn)生的泛白現(xiàn)象要小。

       （7）粉料粉體外觀色澤均勻、粒徑粗細一致。

       （8）價廉并且來源豐富，每批量粉料之間的質(zhì)量波動要小。

3. 碳酸鈣粉體在塑料中的應用現(xiàn)狀

        早期塑料改性的目的以降低產(chǎn)品成本為主，至今碳酸鈣無機粉體仍舊是塑料填充改性的主體；早期填充改性的碳酸鈣等粉體材料表面改性劑從硬脂酸到偶聯(lián)劑都有，收到了很好的效果。大致上自80年代起，以提高改進塑料某些特定性能，如阻燃改性、抗靜電、玻纖增強改性、生物降解和光降解改性等紛紛涌現(xiàn)；90年代起塑料改性以提高純樹脂的各種機械物理性能為主，以及處理手段的不斷改進與提高；這一時期還出現(xiàn)了相容劑、偶聯(lián)劑新品種紛紛涌現(xiàn)和擴大，以及效能增強等改進。塑料加工機械也從單螺桿擠出機發(fā)展到雙螺桿擠出機和往復式單螺桿擠出機。這就促進了我國的改性塑料事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時也就擴大了對碳酸鈣等粉料的需求。

       碳酸鈣等粉料添加在塑料中改性，目前一般有二種方式:

      （1）粉體直接混入法: 本法又分二法：A. 直接法：將粉料和塑料樹脂共混攪拌均勻后，直接送入塑料成型機械加工成產(chǎn)品。B. 造粒法：將粉料、塑料樹脂和加工助劑共混攪拌均勻后，先送至造粒流水線造出改性塑料樹脂后，再送入塑料成型機械加工成產(chǎn)品。優(yōu)點是操作簡便，成本低；缺點是粉塵飛揚，易污染環(huán)境。

      （2）母料法: 按照規(guī)定配方，將粉料、加工助劑、載體共混攪拌均勻后，再送入母料造粒流水線，造出母料粒子，再將母料粒子按需要配比計量均勻混入塑料樹脂后，送入塑料成型機械加工成產(chǎn)品。優(yōu)點是使用方便，無環(huán)境污染之慮；缺點是成本高于直接混入法。二種方法在制造改性塑料產(chǎn)品時都有應用。由于母料法具有使用方便、產(chǎn)品性能可控，因而應用面更廣。但無論采用那種方法，都必須用偶聯(lián)劑如硬脂酸、鈦酸酯類、硅烷等對粉料進行表面改性，以改進改性塑料制品的物理機械性能、表觀質(zhì)量和加工性能。

        由于碳酸鈣等粉料的外形和粒徑對被添加的塑料制品的性能有重大影響，(一般塑料中粒徑采用D₉₇衡量，)所以粉料的粒徑和外形在不斷改進。考慮到性價比，大致上20世記末之前，塑料常用粉料粒徑在325～600目，外形為球狀或類球狀形；進入21世記后，粉料粒徑縮小到1000～1250目，針狀外型和晶須型也被開發(fā)生產(chǎn)了。例針狀水鎂石，鎂鹽晶須等。

       可以這樣認為，在2003年以前還只有部分塑料制品，為降低成本改善部分物理機械性能而或多或少添加碳酸鈣等粉料。2003年以后，隨著世界石油市場價格暴漲，幾乎所有的塑料制品都希望添加碳酸鈣等粉料，前提是降底成本而不影響產(chǎn)品各項性能指標。這一時期涌現(xiàn)的塑料改性最新理論，恰恰又滿足了這個需求，以達到成本低、性能好、生產(chǎn)效率高的境界。

4、塑料改性理論進展

       進入21世紀之后，隨著現(xiàn)代科學技術對塑料材料要求的不斷提高，塑料改性技術早已跳出經(jīng)典的偶聯(lián)表面處理粉體理論和改性，提出了一些新的改性理論和科研成果，主要有：無機剛性粒子增強（增韌）理論的實踐、納米材料和晶須增強（增韌）材料、偶聯(lián)劑和助偶聯(lián)劑理論、化學接技與交聯(lián)、稀土偶聯(lián)劑、有機包復與三元共混理論、彈性體增強（增韌）技術、不同基材共混與相容劑理論、液晶原位復合技術、粉體表面原位組合化學改性、微膠囊化技術、廢舊塑料的利用和改性、超臨界水降解廢舊塑料技術、通用塑料工程化與合金化、無機粉體改性塑料環(huán)境友好材料、木塑復合材料、塑料多元復合共混改性理論、石墨烯材料及其在聚合物中應用技術。

        其中與碳酸鈣等粉料在塑料中應用比較重要的是無機剛性粒子增強（增韌）理論和塑料多元復合共混改性理論。分別簡述如下:

        無機剛性粒子增強（增韌）理論認為超細粒子與大粒徑粒子相比，它們表面缺陷少，非配對原子多與聚合物發(fā)生物理或化學結(jié)合的可能性大大提高，增強了粒子與聚合物基材的界面粘合力，因而可承擔一定的負載。在一定條件下，有超細粒存在的聚合物材料在受外力沖擊時，基體產(chǎn)生大量銀紋和塑性變形，吸收更多沖擊能，達到增強(增韌)的目的。所謂一定條件下，即添加填料粒徑必須小于5微米、2微米甚至更細，同時粒子表面經(jīng)過處理,在聚合物中分布分散均勻。這個理論產(chǎn)生的重要性在于打破了過去人們認為只有橡膠、玻纖和彈性體才能在塑性中起增強(增韌)的神活，使得廣大填料由丑小鴨變?yōu)榘滋禊Z，一躍為功能性材料，從而為非金屬礦物填料如碳酸鈣粉料擴展在塑料中大量應用，打開了一條康莊大道。

        塑料多元復合共混改性理論闡述的是：現(xiàn)代塑料改性時，添加的粉體材料（填充劑、改性劑等）必須進行的表面處理并非如同以往采用一種方法處理，例如僅用鈦酸酯或者硅烷偶聯(lián)劑進行表面處理，這種表面處理已難以滿足日新月異高新技術對塑料材料的更高要求，可以用duo=1+2+3+…+n多元化復合表面處理，才能滿足技術和質(zhì)量、加工工藝的更高要求；同時針對不同使用場合、不同技術指標要求，復合配方多種加工助劑，如FU=A+B+C+…+N。經(jīng)這樣處理的改性粉體添加在塑料中，才能滿足使用者對改性塑料材料的各種苛刻要求，或者大幅度提升某一、二項技術指標同時其它指標基本保持不變，或者在保證質(zhì)量前提下大幅度降低成本，更好地參與市場競爭。這里duo表示多元化處理，F(xiàn)U表示復合共混改性的意思。

        這里還有一個物盡其用準則，即根據(jù)現(xiàn)有的條件，如已有加工設備、國產(chǎn)原材料、基本不改變原有加工工藝，在多元復合共混改性理論指導下，充分滿足使用要求和技術指標、在保證質(zhì)量前提下，充分挖掘原材料的潛能，達到最好的高性價比。

        塑料多元復合共混改性理論改變了以往人們在塑料中添加填料的習慣思路，使新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。例如添加量高達50％的填料仍然透明且物理機械性能好的塑料薄膜制品，填料添加量達20%～30％比重小于1的塑料樹脂，使我國的改性塑料事業(yè)達到新的高度。

        塑料多元復合共混改性理論的出現(xiàn)，還為我們找到了一條將粉體表面處理技術和塑料共混改性技術與計算機應用聯(lián)系結(jié)合的方法，它使塑料共混改性的最新理論如何轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M的生產(chǎn)技術、指導科學試驗和生產(chǎn)實踐有了一個發(fā)揮的平臺；它的應用可以使需要改性塑料的某項性能優(yōu)秀，同時其它性能技術指標不下降，并且原有加工工藝、加工設備也無須改變。