（中国粉体技术网/班建伟）在塑料制品中，并不是所有的塑料品种都可以使用碳酸钙矿物填料。那些要求完全透明，或者对材料的密度比较敏感的塑料制品，不能使用碳酸钙填料，如饮料瓶、透明片、膜、卫生要求高的医用塑料制品等。但相当多品种、相当大数量的塑料制品，或多或少地使用矿物填料，多的用到几十质量份到几百质量份，少的用几份到十几质量份。 表1列出目前一些使用碳酸钙填料的塑料制品品种及使用碳酸钙的情况。
一、碳酸钙在塑料中的应用现状
从理论上讲，作为填充材料能够用于塑料的粉体材料种类很多。但从经济、技术方面存在着诸多问题，影响了无机粉体的应用，目前常用的有碳酸钙、滑石粉、高岭土、 云母粉、硅灰石粉以及具有特殊功能的水镁石粉、重晶石粉或沉淀硫酸钡等。其中碳酸钙 (包括重质碳酸钙和轻质碳酸钙) 和滑石粉的使用量分别占总使用量的70%和5% 左右。这主要是因为在塑料中，使用填料最初的动力，来自节约合成树脂和降低塑料制品原材料成本。碳酸钙的廉价(资源丰富，便宜易得)、使用方便 (无结晶水，易干燥)、不良影响小(包括硬度低，对加工机械模具影响小;颜色白，有利配色; 化学稳 定性好、不易分解、无毒、无味、无腐蚀性) 等特点，使它稳居使用量的首位。
表1 塑料制品使用碳酸钙的情况
| 塑料制品 |
使用填料
种类 |
添加量/phr |
主要作用 |
聚丙烯扁丝
聚丙烯打包带
聚乙烯薄膜
聚乙烯管材
聚丙烯注塑制品
聚乙烯垃圾袋
聚丙烯快餐托盘
汽车保险杠
汽车、家电部件
聚氯乙烯门窗异型材
聚氯乙烯管材
聚氯乙烯发泡材料
聚氯乙烯装饰板
电缆护套料
聚氯乙烯人造革
动力电缆芯绳
板框压滤机过滤板
空调中、电视机、洗衣机等外壳及零部件 |
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙
碳酸钙 |
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、提高摩擦系数
增量、有益于环境保护
增量
可代替ABS降低成本
有利于降解、焚烧等处理
降低成本、提高尺寸稳定性
保持刚性、高低温抗冲击性
提高耐热性
提高刚性和成型加工性
降低成本
降低成本、提高发泡均匀性
降低成本
降低成本
增量、降低成本
降低成本
提高结晶度、降低成本
降低成本、提高尺寸稳定 |
注： ①质量份为以基体树脂为100份，添加矿物填料的质量份数。
多年的科研与实践工作表明，填充改性必须在填料本身、填料与基体塑料结合的界面、填充体系加工与填充塑料的性能与应用等方面把有关问题解决好，才能使粉体材料 在塑料中的应用落到实处。
二、碳酸钙表面改性处理的重要性
碳酸钙属于无机矿物材料，表面呈亲水性，合成树脂是有机材料，呈亲油性，当两 种材料仅仅依靠物理方法或外力作用使其相聚在一起时，由于结构表面存在‘对立’ 性，它们的结合界面往往存在着结构的隔离层，难以相容在一起。
采用表面活化改性技术，加入适量的助剂，在一定的温度、压力、摩擦、时间等作 用下，使无机粉体亲水性转换为亲油性材料，无机粉体与有机材料可‘亲密’ 地成为 牢固地结合体。这项表面改性活化工艺技术，可大大提高填料在塑料中的用量的同时， 可明显改善塑料制品的物理性能和加工性能，可有效地扩大无机粉体在塑料中的应用领 域和添加量，具有显著的经济效益和社会效益。
图1 高速混合机及其工作原理
1—锅盖 2—外套 3—导流板 4—搅拌桨 5—驱动轴 6—排料口 7—气缸 8—夹套
目前常用的表面活化工艺装备有高速加热混合机，它的工作原理如图1所示。
高速旋转的搅拌桨借助呈一定角度倾斜的表面与物料产生的摩擦力使物料沿桨面切向运动，同时由于离心力的作用，物料被拋向混合室内壁，并沿壁面上升，当上升到一定高度后，由于重力作用和导 流板的折阻导流效能，使物料又落回锅的中心，接着又被拋起。这种上升运动与切向运动的结合，使物料实际上处于连续的 螺旋式往复运动状态。由于搅拌桨叶转速 很高 (一般分600r/min和1000r/min两 挡)，物料运动速度也很快，快速运动着的粒子间相互碰撞、摩擦，使得凝聚 在一起的粒子团块被破碎，同时物料温 度在摩擦作用和受锅壁加热也相应升高。混合室内的导流板在生产中的混合作用非常重要，它可以使螺旋运动的物料流动状态被搅乱，使物料呈无规则运动，并在导流板附近形成强烈的漩涡，导流板还增加物料的摩擦力，提高剪切力，使物料的温度在短时间升高，增加相容性，达到预塑化的效果。
应当指出的是通常的高速混合机并不是为粉体填料的表面处理改性设计制造的，它是为聚氯乙烯树脂的预塑化和与各种辅料混合而准备的，但由于初期使用的填料颗粒粒径较大，高混机的使用效果还可以，因此成为目前填料表面改性的主要设备。
针对高混机用于填料表面处理改性所暴露出的不足，设备制造厂已做了许多针对性的改进，如搅拌桨的形状、尺寸、导流板的位置和形状，出料口的大小及闭合装置，电机的功率，锅体加热的方式以及温度的控制等，可以说在目前的改性要求中，除粉尘较大和间歇操作两条外，高速混合机仍然是首选的粉体填料表面处理的 设备。
瑞典AGMW公司制造的HSTP-3/1000三筒连续高速混合机，使物料和改性剂依次经过三个强烈混合室，由转子叶片和定子对粉体填料形成冲击、剪切和摩擦，从而使改性剂迅速与物料接触并实现包覆或发生化学反应。国内也有厂家开发研制了类似设备。
青岛青矿矿山设备有限公司研制成功PSC粉体表面改性机，实现了粉体表面处理 连续化生产，粉体表面包覆率达99%以上，且颗粒间无黏结现象，颗粒尺寸也不会增大，每小时处理量依据型号分别可达到1.0t、1.5t和3.0t。图1为PSC粉体表面改性机的工艺流程示意图。
图1 PSC粉体表面改性机的工艺流程示意图
近年来针对已有的各种方法仍不能满足对粉体填料改性更高要求的情况，一些新的改性机理和改性剂也在不断的出现，并呈现出巨大的技术和经济优势。
根据粉体表面原位化学改性，可在不同高分子基材中实现填充、增强、增韧、防沉 降、降黏、抗静电、增艳、紫外线吸收、电磁波屏蔽、消音、抗震等，需要研究能最好 体现上述某种功能的改性物，包括官能团、结构、链长和空间位阻及其对改性过程、储存稳定性及应用目的等方面的影响。
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