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技术 | 碳酸钙在塑料应用中的相关技术特征

技术 | 碳酸钙在塑料应用中的相关技术特征

分类:
产品百科
作者:
来源:
2020/10/26 20:35

1、几何特征

通常粉体材料以颗粒形式作为填料使用。颗粒的形状并不十分规则,但对塑料的性能来说,填料颗粒的几何形状对填充体系的物理力学性能有着重要的影响,因此粉体材料的颗粒形状是使用时首先需要予以关注的。

对于片状颗粒,往往采用径厚比的概念,即片状颗粒的平面尺寸 (纵向或横向) 与厚度之比; 对于纤维状颗粒,往往采用长径比的概念,即纤维状颗粒的长度与直径 之比。

 

碳酸钙的颗粒形状大都呈四方体、六方体、多方体及不规则方形颗粒状,它的形状在塑料加工中对流动性及制品的物理性能影响非常重要。

 

2、粒径

填充改性技术重要的一点是,将粉体颗粒均匀地、尽可能一个一个地分散到塑料基 体中,如同大海中的大大小小的岛屿,称之为海岛结构。一般说来,填料颗粒的粒径越小,假如能够分散均匀,则填充体系的力学性能越好; 但粒径越小,加工成本越高,实 现其均匀分散越困难。因此,了解粉体颗粒的粒径大小及其分布情况并根据实际需要加以选择是非常重要的。

目前对粉体颗粒粒径大小及其分布的表述有很多种,在没有统一的命名方法和规定之前,塑料行业也经常使用的是目数的方式,即用粉体材料的颗粒能够通过多少目的筛子的目数来表示其粒径大小。实际上这种方法测到的目数是指这种规格的粉体颗粒中尺寸最大的颗粒在三维方向上最大的尺寸。

在塑料制品中要求钙粉的粒径分布越窄越好,即分级出最小粒径和最大粒径,按照使用要求,采集粒径在一定范围内的产品,保证产品的分散性、透明性、力学性能及吸油率。

 

3、比表面积

填料颗粒表面粗糙程度不同。即同样体积的颗粒,其表面积不仅与颗粒的几何形状有关(球形表面积最小),也与其表面的粗糙程度有关。比表面积即单位质量填料的表面积,它的大小对填料与树脂之间的亲和性、填料表面活化处理的难易与成本都有直接关系。

 

4、表面自由能

填料颗粒表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易。当比表面积一定时,表面自由能大,颗粒相互之间越容易凝聚,越不易分散。在填料表面处理时,降低其表面自由能是主要目标之一。

 

5、密度

填料的密度与填料颗粒堆砌状态有关。由于轻质碳酸钙的颗粒呈现纺锤形,而重质碳酸钙的颗粒呈破碎的石块形,在堆砌时,颗粒之间存在空隙,而前者的体积明显大于后者,因而轻质碳酸钙的表观密度小于重质碳酸钙,但这并不意味轻钙 ‘轻’,重钙 ‘重’,因为就其单个颗粒来说它们之间的差别非常小,前者2.4~2.7g/cm3,后者为 2.7~2.9g/cm3。在塑料填充改性领域,真正影响填充体系整体密度的是填料单个颗粒的密度以及它们在塑料基体中的存在形式——是否凝聚在一起,以及和基体塑料分子之 间有无空隙等。

 

6、吸油值

单位质量的填料能够吸收增塑剂二辛酯 (DOP) 的量称之为吸油值。在使用增塑剂的塑料制品中,如果填料的吸油值高,就会增大增塑剂的消耗。填料吸油值的大小与填料粒径大小、分布以及颗粒表面的构造有关。轻质碳酸钙的吸油值往往是重质碳酸钙的几倍,因此,在达到对树脂增塑同样效果的情况下,使用重钙可以减少增塑剂的用量。一般重钙要求吸油值小于35mL/100g。

 

7、硬度

填料颗粒本身的硬度具有双重性,一方面硬度高的填料可以使填充塑料材料的耐磨性提高,另一方面由于加入了填料,尤其是硬度高的填料,填充体系在加工过程中容易 对物料所接触的加工设备与模具的表面造成严重磨损,而这种磨损严重时,带来的经济损失远远超过使用填料带来的利益,就会影响这种粉体材料在塑料中的应用。

莫氏硬度是材料之间刻痕能力的相对比较。人的手指甲莫氏硬度为2,可以在滑石 上划出刻痕,但在方解石上就无能为力了。

当然,硬度大小不同的填料对加工设备的磨损是不同的,另一方面对于某种硬度的填料,加工设备的金属表面的磨损强度随填料粒径的增加而上升,到一定粒径后其磨损 强度趋于稳定。此外,相对研磨的两种材料的硬度之差也与磨损强度大小有关。一般认为,金属强度高于1.25倍的磨料硬度时,属于低磨损情况; 金属强度为0.8~1.25倍 的磨料硬度时,属于中磨损情况; 金属强度低于0.8倍的磨料硬度时,属于高磨损情况。

例如,通常用于塑料挤出机的螺筒和螺杆的金属材料为38CrMoAl合金钢,经氮化处理,其维氏硬度为800~900,而重钙的维氏硬度为140左右。故填充碳酸钙的塑料用挤出机加工,尽管有磨损,但不特别显著,起码可以令人忍受;而粉煤灰玻璃微珠或 、石英砂,其维氏硬度在1000以上,这些材料填充塑料对氮化钢的磨损极为严重,加工 几十吨物料以后,其螺杆的氮化层就不存在了 (氮化层约0.4mm厚)。将普通45号钢 做渗硼处理,其维氏硬度可达2000左右,这时,同样的玻璃微珠或石英砂填充的物料 对螺杆的磨损就十分轻微了,只相当于重钙对氮化钢的磨损。

 

8、白度

填料的白度高低对填充塑料材料及制品的色泽乃至外观有着至关重要的影响。通常白度越高,对填充塑料着色的影响越小,仅仅影响色彩的鲜艳程度。由于目前还没有完全透明的填料,因此填充塑料往往是不透明的,如果填料的颜色白度不高或呈其他色 泽,则只能做黑色或深色的塑料制品。

 

9、折射率

塑料材料本身对光的折射率有很大差别,多数通用塑料的折射率在1.50~1.60。当粉体填料的折射率与塑料基体的折射率相同或相近时,它们加入到基体塑料中后对光的遮盖性影响较小,反之填充塑料对光的遮盖作用就强。

对多数矿物来说其折射率还不止一个。具有立方点阵结构的晶体和各向同性的无定形物质才具有唯一的折射率,如食盐是典型的等轴 (立方) 晶体,而玻璃是典型的各 向同性无定形非结晶物质。方解石和石英等晶体有两个相等的短轴并垂直于第三轴 (长轴)。光线沿长轴传播时,其传播速度是不变化的,而当光线沿其他方向传播时, 被分解为两种不同速度的光线,产生两个折射率。方解石的两个折射率分别为1.658和 1.486,石英的两个折射率分别为1.553和1.554。

 

10、光线的吸收和反射

紫外线可使聚合物的大分子发生降解。紫外线的波长范围为0.01~0.4μm,炭黑和石墨作为填料使用,由于它们可吸收这个波长范围的光波,故可以保护所填充的聚合物避免发生紫外线照射引发的降解。有的物质不仅可以吸收紫外线,还可通过重新发光 把波长较短的紫外光转化为波长较长的可见光,如果将其作为填料使用,不仅可避免紫外线的破坏作用,还可增加可见光辐射的能量。

红外线是0.7μm以上波长范围的光波。有的填料可以吸收或反射这个波长范围的光波。在农用大棚膜中使用云母、高岭土、滑石粉等填料,可以有效降低红外线的透过率,从而显著提高农用大棚膜的保温效果。

 

11、电性能

金属是电的优良导体,因此金属粉末作为填料使用可影响填充塑料的电性能。但只要填充量不大,树脂基体包裹每一个金属填料的颗粒,其电性能的变化就不会发生突变。只有当填料用量增加致使金属填料的颗粒达到互相接触的程度时,填充塑料的电性 能将会发生突变,体积电阻率显著下降。

矿物制成的填料都是电的绝缘体,从理论上说,它们不会对塑料基体的电性能带来影响。需要注意的是由于周围环境的影响,填料的颗粒表面上会凝聚一层水分子,依填料表面性质不同,这层水分子与填料表面结合的形式和强度都有所不同,因此,填料在分散到树脂基体中以后,所表现出的电性能有可能与单独存在时所反映出来的电性能不相同。此外,填料在粉碎和研磨过程中,由于价键的断裂,很有可能带上静电,形成吸附的聚集体,这在制作细度极高的微细填料时更容易发生。

 

12、水分

碳酸钙自身不易吸水,不含结构水和结晶水,但在通常矿石采集、储存、加工及仓储过程中,因粉体颗粒极小,易吸收水分。塑料在使用中对水分含量的要求极高,粉体 标准要求≤0.5%,实际应用时,粉体含水量应≤0.3%,含水量越小对塑料制品的影响越小。

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