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

1、概論

        塑料作為一種新型人造材料，已廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(xué)技術(shù)發(fā)展，對(duì)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(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)和高性價(jià)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(xì)粉碎等行業(yè)結(jié)合起來，促進(jìn)了塑料改性的發(fā)展。人類社會(huì)進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，圍繞現(xiàn)代塑料加工改性行業(yè)，已經(jīng)形成了一個(gè)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(jī)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(yīng)用特點(diǎn)

        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(jià)的填料作為填充劑以降底成本。其代表性實(shí)例如在聚氯乙烯和聚丙烯中加入大量的碳酸鈣。

      （2）補(bǔ)強(qiáng)作用。提高塑料制品的物理機(jī)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(bǔ)強(qiáng)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(rèn)為，碳酸鈣等粉料的加入對(duì)塑料物理機(jī)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(qiáng)度隨粉料的加入量增加而下降；塑料制品的斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度隨粉料的加入量增加一般為下降；但當(dāng)粉料外型為針狀、纖維狀時(shí)，一般為增強(qiáng)；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(duì)塑料制品的性能有很大影響，所以對(duì)碳酸鈣等粉料的選用要求有以下幾點(diǎn)：

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

       （2）與其它加工助劑成惰性，共混后不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

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

       （4）吸油量和吸收塑料樹脂量小。

       （5）不含促進(jìn)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(xì)一致。

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

3. 碳酸鈣粉體在塑料中的應(yīng)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(jī)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(jìn)塑料某些特定性能，如阻燃改性、抗靜電、玻纖增強(qiáng)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(jī)械物理性能為主，以及處理手段的不斷改進(jìn)與提高；這一時(shí)期還出現(xiàn)了相容劑、偶聯(lián)劑新品種紛紛涌現(xiàn)和擴(kuò)大，以及效能增強(qiáng)等改進(jìn)。塑料加工機(jī)械也從單螺桿擠出機(jī)發(fā)展到雙螺桿擠出機(jī)和往復(fù)式單螺桿擠出機(jī)。這就促進(jìn)了我國(guó)的改性塑料事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)也就擴(kuò)大了對(duì)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(jī)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(jī)械加工成產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，成本低；缺點(diǎn)是粉塵飛揚(yáng)，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(jì)量均勻混入塑料樹脂后，送入塑料成型機(jī)械加工成產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是使用方便，無環(huán)境污染之慮；缺點(diǎn)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(shí)都有應(yīng)用。由于母料法具有使用方便、產(chǎn)品性能可控，因而應(yīng)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(duì)粉料進(jìn)行表面改性，以改進(jìn)改性塑料制品的物理機(jī)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(duì)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(jìn)?？紤]到性價(jià)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(jìn)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(rèn)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(jī)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(chǎng)價(jià)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(xiàng)性能指標(biāo)。這一時(shí)期涌現(xiàn)的塑料改性最新理論，恰恰又滿足了這個(gè)需求，以達(dá)到成本低、性能好、生產(chǎn)效率高的境界。

4、塑料改性理論進(jìn)展

       進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)塑料材料要求的不斷提高，塑料改性技術(shù)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(jī)剛性粒子增強(qiáng)（增韌）理論的實(shí)踐、納米材料和晶須增強(qiáng)（增韌）材料、偶聯(lián)劑和助偶聯(lián)劑理論、化學(xué)接技與交聯(lián)、稀土偶聯(lián)劑、有機(jī)包復(fù)與三元共混理論、彈性體增強(qiáng)（增韌）技術(shù)、不同基材共混與相容劑理論、液晶原位復(fù)合技術(shù)、粉體表面原位組合化學(xué)改性、微膠囊化技術(shù)、廢舊塑料的利用和改性、超臨界水降解廢舊塑料技術(shù)、通用塑料工程化與合金化、無機(jī)粉體改性塑料環(huán)境友好材料、木塑復(fù)合材料、塑料多元復(fù)合共混改性理論、石墨烯材料及其在聚合物中應(yīng)用技術(shù)。

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

        無機(jī)剛性粒子增強(qiáng)（增韌）理論認(rèn)為超細(xì)粒子與大粒徑粒子相比，它們表面缺陷少，非配對(duì)原子多與聚合物發(fā)生物理或化學(xué)結(jié)合的可能性大大提高，增強(qiáng)了粒子與聚合物基材的界面粘合力，因而可承擔(dān)一定的負(fù)載。在一定條件下，有超細(xì)粒存在的聚合物材料在受外力沖擊時(shí)，基體產(chǎn)生大量銀紋和塑性變形，吸收更多沖擊能，達(dá)到增強(qiáng)(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(xì)，同時(shí)粒子表面經(jīng)過處理,在聚合物中分布分散均勻。這個(gè)理論產(chǎn)生的重要性在于打破了過去人們認(rèn)為只有橡膠、玻纖和彈性體才能在塑性中起增強(qiáng)(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(kuò)展在塑料中大量應(yīng)用，打開了一條康莊大道。

        塑料多元復(fù)合共混改性理論闡述的是：現(xiàn)代塑料改性時(shí)，添加的粉體材料（填充劑、改性劑等）必須進(jìn)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(jìn)行表面處理，這種表面處理已難以滿足日新月異高新技術(shù)對(duì)塑料材料的更高要求，可以用duo=1+2+3+…+n多元化復(fù)合表面處理，才能滿足技術(shù)和質(zhì)量、加工工藝的更高要求；同時(shí)針對(duì)不同使用場(chǎng)合、不同技術(shù)指標(biāo)要求，復(fù)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(duì)改性塑料材料的各種苛刻要求，或者大幅度提升某一、二項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)同時(shí)其它指標(biāo)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。這里duo表示多元化處理，F(xiàn)U表示復(fù)合共混改性的意思。

        這里還有一個(gè)物盡其用準(zhǔn)則，即根據(jù)現(xiàn)有的條件，如已有加工設(shè)備、國(guó)產(chǎn)原材料、基本不改變?cè)屑庸すに?，在多元?fù)合共混改性理論指導(dǎo)下，充分滿足使用要求和技術(shù)指標(biāo)、在保證質(zhì)量前提下，充分挖掘原材料的潛能，達(dá)到最好的高性價(jià)比。

        塑料多元復(fù)合共混改性理論改變了以往人們?cè)谒芰现刑砑犹盍系牧?xí)慣思路，使新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。例如添加量高達(dá)50％的填料仍然透明且物理機(jī)械性能好的塑料薄膜制品，填料添加量達(dá)20%～30％比重小于1的塑料樹脂，使我國(guó)的改性塑料事業(yè)達(dá)到新的高度。

        塑料多元復(fù)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(shù)和塑料共混改性技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)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(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、指導(dǎo)科學(xué)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐有了一個(gè)發(fā)揮的平臺(tái)；它的應(yīng)用可以使需要改性塑料的某項(xiàng)性能優(yōu)秀，同時(shí)其它性能技術(shù)指標(biāo)不下降，并且原有加工工藝、加工設(shè)備也無須改變。