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輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣在PVC硬質(zhì)發(fā)泡板材中的應(yīng)用

添加時間:2018年07月07日   【字體大。 】 關(guān)注:2792

  一、PVC樹脂的優(yōu)勢

  PVC是目前中國具有資源優(yōu)勢的一個塑料品種,2016年產(chǎn)能達到2326萬噸,消費量只有1638萬噸,屬于產(chǎn)能嚴重過剩塑料品種,利用空間很大。

  PVC是目前唯一非石油原料的塑料品種,也是唯一采用無機材料合成的有機聚合物,電石法PVC采用鹽礦電解產(chǎn)生氯氣、采用石灰石經(jīng)電石產(chǎn)生乙炔,最后合成氯乙烯單體合成聚氯乙烯樹脂。排除生產(chǎn)過程的碳排放,單純的PVC樹脂具有明顯的低碳排放效應(yīng)。

  PVC還有容易改性和成本低的優(yōu)勢,尤其是可以添加大量的無機粉體碳酸鈣。以前我們都是隨意選取一個碳酸鈣品種就添加,但是不同的碳酸鈣品種、不同的碳酸鈣粒度核分布、不同的碳酸鈣表面處理程度都很大影響PVC制品的性能,如何選擇好正確的碳酸鈣即降低PVC制品的成本、又可以改性PVC制品的性能,就是今天要研究的內(nèi)容。

  二、碳酸鈣的優(yōu)勢

  依碳酸鈣的來源不同,可將碳酸鈣分為重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和生物碳酸鈣三大類。

  重質(zhì)碳酸鈣用天然方解石、大理石、白云石、石灰石等原礦經(jīng)過選礦、清洗、破碎、研磨或再研磨、表面處理等工序而制成。

  輕質(zhì)碳酸鈣是用化學(xué)加工方法制得的。它以石灰石為原料經(jīng)煅燒、消化、碳化等化學(xué)過程制成,優(yōu)點為組成比較均一、雜質(zhì)含量低、堆積密度小、粒度比較細(2500目左右)、粒徑分布均勻性高。輕質(zhì)碳酸鈣的又稱為沉淀碳酸鈣、沉降碳酸鈣、膠質(zhì)碳酸鈣、活性碳酸鈣,因其堆積密度明顯低于重質(zhì)碳酸鈣而得名,但制成塑料填充復(fù)合制品的密度不一定低。

  生物碳酸鈣由蛋殼、珊瑚、貝殼、珍珠層等未經(jīng)燒結(jié)的生物原料經(jīng)清洗、粉碎、過篩而成,主要包括貝殼殼粉和牡蠣殼粉兩類,碳酸鈣含量97%左右,其余為有機質(zhì),并以氨基酸為主。與礦物碳酸鈣相比,其優(yōu)點為資源可以循環(huán)再生,生物生存過程吸收二氧化碳,并將二氧化碳固化,因此具有低碳性能。

  碳酸鈣具有價格低廉、來源廣泛、成份穩(wěn)定、無毒無味、色澤白、易著色、硬度低、易干燥、易細化、易分散、易表面處理、不磨損設(shè)備、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點,目前已經(jīng)成為用量最大、用途zui廣的第一大類無機填料。我國的碳酸鈣分布很廣泛,很多地區(qū)如遼寧海城、四川雅安、廣西河池和賀州、湖北恩施、安徽池州等都盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳酸鈣,國外如越南、印度、土耳其的碳酸鈣也都很好。

  2016年中國塑料行業(yè)用碳酸鈣為800萬噸左右,其中輕質(zhì)碳酸鈣占到30%左右。這些碳酸鈣可以代替800萬噸樹脂,代替1500萬噸石油,具有十分顯著的低碳環(huán)保價值。

  碳酸鈣看起來很簡單,其實應(yīng)用起來有很多訣竅,而且研究得越透徹,做出來的制品性價比越好,可以為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟效益。

  三、碳酸鈣在PVC發(fā)泡板材中應(yīng)用

  對于PVC發(fā)泡板材而言,碳酸鈣填充是否影響發(fā)泡性能發(fā)揮十分復(fù)雜,主要取決于碳酸鈣的尺寸、添加量、分散性和含水量,如果碳酸鈣的這些因素使用得當就可以促進發(fā)泡,反之會嚴重影響發(fā)泡。

  碳酸鈣可以正面促進發(fā)泡的原因兩個:一是碳酸鈣可以作為成核劑,吸附發(fā)泡氣體形成氣泡核,控制泡孔的數(shù)量,使PVC泡孔更細;二是碳酸鈣可以改善PVC的熔體性能,自身剛性比較大的碳酸鈣可以減緩熔體變形和移動能力,從而可以抑制泡孔過快膨脹,控制泡孔尺寸更細。但是并不是所有的碳酸鈣都可以促進PVC發(fā)泡,碳酸鈣必須如下得當?shù)臈l件才能促進發(fā)泡。碳酸鈣如何選擇和處理才算得當?具體要看碳酸鈣的下列因素如何控制

  01

  碳酸鈣特性的選擇

  碳酸鈣的尺寸:碳酸鈣粒徑大小與發(fā)泡劑匹配時就可以起到成核劑的作用,對于發(fā)泡會起到正面作用,具體合適的尺寸為小于5μm、大于不團聚的尺寸1.5μm。如果無機粉體的粒度大于10μm,或者太細導(dǎo)致自身團聚起不導(dǎo)成核劑作用,對于發(fā)泡就有一定負面影響。本人建議選擇3000目(4μm)碳酸鈣,這個尺寸既可以保證尺寸不大于5μm、又可以保證不團聚。

  碳酸鈣加入量:適宜的碳酸鈣加入量可以促進發(fā)泡質(zhì)量,一般建議zui佳填充量為10%-20%。碳酸鈣加入量太低,熔體中形成不了足夠的的成核點,造成發(fā)泡倍率偏低;碳酸鈣加入量太高,是可以形成很多成核點,但是填充過大熔體強大太低,導(dǎo)致過多破泡,也同樣降低發(fā)泡倍率。

  碳酸鈣分散性:如果無機粉體在樹脂中分散很均勻,就可以保證沒有團聚現(xiàn)象出現(xiàn),保證碳酸鈣尺寸在5μm尺寸就可以稱為成核劑,就不影響發(fā)泡成型。保證碳酸鈣分散性的方法為碳酸鈣表面處理,如果無機粉體表面處理的徹底,完全改變了原來的親水性為親油性,就可以不影響發(fā)泡成型。具體表面處理方式可以采用雙親處理方式,即用鋁酸酯偶聯(lián)劑/多元醇表面活性劑雙重處理,或者選擇鋁鈦酸酯偶聯(lián)劑處理。保證碳酸鈣分散性的辦法一個是尺寸合適,另一個就是表面偶聯(lián)劑包覆處理。如果碳酸鈣表面包覆處理的不徹底,就會造成分散不均勻,導(dǎo)致細粉體團聚成較大的顆粒,由于碳酸鈣的導(dǎo)熱系數(shù)遠遠大于樹脂,從而在熔體中開始吸收熱量形成局部過熱點,降低了過熱點附近熔體的強度。發(fā)泡劑過早分解,導(dǎo)致制品還未到達冷卻區(qū)域提前發(fā)泡,造成制品表面未結(jié)皮或者結(jié)皮不良。

  碳酸鈣含水量:如果無機粉體的含水量小于0.5%,填充基本不影響發(fā)泡成型。

  結(jié)論:選擇3000目左右的碳酸鈣,加入量控制在10%-20%,保證在PVC中分散均勻,就算碳酸鈣使用得當,就可以促進PVC發(fā)泡質(zhì)量提高。

  02

  碳酸鈣品種的選擇

  碳酸鈣的特性要求已經(jīng)選擇好,面對眾多碳酸鈣品種如何選擇?在上述各類碳酸鈣品種中,PVC傾向于選擇輕質(zhì)碳酸鈣,具體的原因如下。

  協(xié)助穩(wěn)定:輕質(zhì)碳酸鈣的PH值高為9-10,而重質(zhì)碳酸鈣的PH值為8-9,因此輕質(zhì)碳酸鈣的堿性更強,可以大量吸收PVC分解產(chǎn)生的HCL,輔助熱穩(wěn)定劑起到熱穩(wěn)定作用。

  粒度優(yōu)勢:輕質(zhì)碳酸鈣的自身粒度比較細,一般輕松可以達到2500目作用,這類粒度正是PVC需要的,可以滿足PVC管材和型材的性能需要。而重質(zhì)碳酸鈣只是最近10年才可以達到這個粒度,因為使用習(xí)慣在逐漸選擇重質(zhì)碳酸鈣。

  消除色光:PVC制品一般含有黃色色光,而輕質(zhì)碳碳酸鈣含有藍色色光,加入正好可以消除黃色色光。

  改善韌性:輕質(zhì)碳酸鈣對PVC制品的沖擊強度改性有利,而重質(zhì)碳酸鈣對拉伸強度的貢獻突出。

  但是目前因為重質(zhì)碳酸鈣的粒度已經(jīng)可以達到納米級別,PVC選擇重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣都可以,考慮到兩種碳酸鈣在改性貢獻的測重點不同,往往選擇兩種復(fù)合使用為好,一般選擇大方解石重質(zhì)碳酸鈣/輕質(zhì)碳酸鈣3/1比例,可以兼顧PVC的拉伸強度和沖擊強度。

  對于重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣而言,在配方設(shè)計上稍有不同。對與選用輕質(zhì)碳酸鈣的PVC配方:輕質(zhì)碳酸鈣可以促進PVC的熱穩(wěn)定性,因此配方可以相應(yīng)減少穩(wěn)定劑含量;輕質(zhì)碳酸鈣對沖擊強度有利,可以相應(yīng)減少增韌劑用量;輕質(zhì)碳酸鈣的吸油值比較高,需要相應(yīng)增加小分子助劑如偶聯(lián)劑、潤滑劑、分散劑的用量。對于選擇重質(zhì)碳酸鈣的配方,正好相反。

  

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