重鈣與輕鈣填充塑料性能比較
重鈣與輕鈣填充塑料性能比較
碳酸鈣（CaCO3）是塑料行業(yè)用量最大、使用最方便、價(jià)格最低廉的無(wú)
機(jī)填料。用CaCO3填充改性塑料不僅可以降低成本、節(jié)約石油資源，而且能
夠改善制品的耐蠕變性能、熱變形溫度、尺寸穩(wěn)定性能和成型加工性能等。
CaCO3根據(jù)生產(chǎn)方法不同分為重質(zhì)CaCO3（簡(jiǎn)稱重鈣）和輕質(zhì)CaCO3
（簡(jiǎn)稱輕鈣）。重鈣是將碳酸鈣礦石即方解石或大理石經(jīng)選礦、粉碎、分級(jí)
包裝而成，生產(chǎn)方法簡(jiǎn)便、能耗小、成本低；而輕鈣是用化學(xué)方法制成的，
即石灰石煅燒、石灰消化、碳化生成碳酸鈣，再經(jīng)脫水、干燥、篩分而成。
從上述制備輕鈣的過(guò)程可以看出，生產(chǎn)輕鈣的成本高于普通重鈣，而且
污染重、能耗大，如從原料資源來(lái)說(shuō)，輕鈣原料資源更豐富。
目前發(fā)達(dá)國(guó)家用于塑料工業(yè)重鈣與輕鈣之比為17~20:1，以重鈣為主，
而我國(guó)目前用于塑料工業(yè)的重鈣與輕鈣之比僅為2:1左右，低于發(fā)達(dá)國(guó)家。
隨著CaCO3在塑料中的應(yīng)用量逐漸增大，重鈣加工設(shè)備和分級(jí)方法的進(jìn)步，
生產(chǎn)超細(xì)微粉重質(zhì)CaCO3已不是困難的事，未來(lái)使用重鈣取代輕鈣是一種必
然趨勢(shì)。但是在目前情況下，在塑料中究竟使用重鈣好還是輕鈣好，是
CaCO3生產(chǎn)廠家和用戶普遍關(guān)注的問(wèn)題，為此，我們就重鈣和輕鈣在幾種塑
料中的應(yīng)用作了對(duì)比研究，并取得較為有意義的結(jié)果。
本文采用重鈣、輕鈣和混鈣（重鈣:輕鈣=1:1）對(duì)HDPE、PP、硬質(zhì)PVC
進(jìn)行填充改性，并對(duì)填充體系的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和密度進(jìn)行比較，得到
一些有益的結(jié)果。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1原料
聚丙烯（PP），S-1003，北京燕山石化股份有限公司產(chǎn)品
高密度聚乙烯（HDPE），5000S，北京燕山石化股份有限公司產(chǎn)品
聚氯乙烯（PVC），SG-8，北京化工二廠股份有限公司產(chǎn)品
重質(zhì)碳酸鈣（2%鋁酸酯活化處理），400目，廣西城信碳酸鈣科技有限公司
輕質(zhì)碳酸鈣（過(guò)400目篩后用2%鋁酸酯活化處理），廣西城信碳酸鈣科技有限
其它助劑均為工業(yè)品
1.2試驗(yàn)設(shè)備與儀器
雙螺桿擠出機(jī)（德國(guó)WP公司ZSK30型）、切粒機(jī)（上�；C(jī)械四廠
SQ-2型）、高速混合機(jī)（北京塑料機(jī)械廠CH-10型）、雙滾筒煉塑機(jī)（上
海橡膠機(jī)械廠SK-160B型）、塑料注射機(jī)（廣東順德塑料機(jī)械廠OJ-150
型）、沖擊試驗(yàn)機(jī)（XCJ-500型）、拉力試驗(yàn)機(jī)（廣東材料試驗(yàn)機(jī)械廠LJ-
1000型）。
1.3試樣制備
1.3.1 PP試樣制備
將活化的重鈣、輕鈣以及混鈣按30wt%、40wt%、50wt%、60wt%
分別和PP樹(shù)脂、2wt%固體石蠟混勻，并分別用擠出機(jī)混煉造粒，烘干后注
塑成各種標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試樣條。
1.3.2HDPE試樣制備
與制備PP試樣步驟相同。
1.3.3 PVC試樣制備
將活化后的重鈣、輕鈣以及混鈣按上述同樣的比例與PVC樹(shù)脂及助劑混
合物（PVCl00份，穩(wěn)定劑5份，增塑劑5份，潤(rùn)滑劑1.5份）在高混機(jī)中混合
10min出料，然后在雙滾筒煉塑機(jī)上塑煉10min，將制成的片材剪成條狀進(jìn)
行粉碎，最后用注射機(jī)制成各種標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試樣條。
1.4性能測(cè)試
拉伸強(qiáng)度測(cè)試按GB/T 1040-92進(jìn)行。
Izod缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試按GB/T 1040-80進(jìn)行。
密度測(cè)試按GB 1033-86進(jìn)行。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1碳酸鈣對(duì)幾種塑料填充體系拉伸強(qiáng)度的影響
表1 CaCO3對(duì)幾種塑料填充體系拉伸強(qiáng)度的影響
碳酸鈣含量
項(xiàng)目 30wt% 40wt% 50wt% 60wt%
拉伸強(qiáng)度
/MPa HDPE
填充體系 1 11.03 11.67 11.03 10.82
2 11.01 13.03 13.00 12.72
3 13.63 15.21 14.78 14.02
PP
填充體系 1 12.41 15.27 14.92 12.79
2 12.79 16.01 15.96 14.26
3 12.44 15.80 14.95 13.01
PVC
填充體系 1 30.28 25.41 19.45 17.50
2 27.46 25.43 23.61 21.83
3 23.80 22.38 18.74 16.47
注：表中1-重鈣填充；2-輕鈣填充；3-混鈣填充
不同類型碳酸鈣與不同填充量對(duì)各種塑料填充體系拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)
表1。從表1可以看出，隨著CaCO3填充量的增加，不同填充體系的拉伸強(qiáng)
度變化趨勢(shì)并非完全一樣。對(duì)于HDPE、PP填充體系，在CaCO3為40wt%
時(shí)，其拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大，然后隨CaCO3含量增加緩慢下降。而對(duì)于PVC
填充體系，CaCO3填充量越多，拉伸強(qiáng)度越小。重鈣、輕鈣和混鈣填充量
對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律基本相同。
在HDPE填充體系，相同填充量情況下，拉伸強(qiáng)度：混鈣>輕鈣>重鈣。
對(duì)于PP填充體系，相同填充量下，拉伸強(qiáng)度：輕鈣>混鈣>重鈣，但之間相
差很小。對(duì)于PVC填充體系，不同填充量對(duì)拉伸強(qiáng)度影響不完全相同。當(dāng)填
充量為30wt%時(shí)，拉伸強(qiáng)度：重鈣>輕鈣>混鈣；當(dāng)填充量為40wt%時(shí)，
拉伸強(qiáng)度：重鈣≈輕鈣>混鈣；當(dāng)填充量為50wt%、60wt%時(shí)拉伸強(qiáng)度：
輕鈣>重鈣>混鈣。
三種不同類型CaCO3填充同一種樹(shù)脂在相同填充量的情況下，雖然拉伸
強(qiáng)度不完全相同，但差別不是太大，而且影響并無(wú)規(guī)律性!
表2 CaCO3對(duì)幾種塑料填充體系沖擊強(qiáng)度的影響
碳酸鈣含量
項(xiàng)目 30wt% 40wt% 50wt% 60wt%
沖擊強(qiáng)度
/（kJ/m2） HDPE填充體系 1 14.31 11.10 10.75 10.36
2 36.67 40.72 35.77 30.43
3 33.67 37.42 32.48 28.44
PP填充體系 1 7.63 7.08 6.62 6.08
2 8.02 10.69 10.50 8.90
3 7.76 9.18 7.64 7.35
PVC填充體系 1 7.42 5.96 5.18 5.09
2 7.90 6.62 5.89 5.53
3 7.74 6.32 5.49 5.37
注：表中1、2、3含義同表1
2.2碳酸鈣對(duì)幾種塑料填充體系沖擊強(qiáng)度的影響
不同類型CaCO3和不同填充量對(duì)各種聚烯烴填充體系沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
見(jiàn)表2。從表2中具體數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于重鈣來(lái)說(shuō)，隨著填充量的增加，三
種填充體系的沖擊強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)；對(duì)于輕鈣和混鈣來(lái)說(shuō)，PVC填充體系
隨填充量增加呈下降趨勢(shì)，而對(duì)HDPE、PP填充體系，則隨填充量增加開(kāi)始
上升，而后下降。
在相同填充量的情況下，三種填充體系沖擊強(qiáng)度：輕鈣>混鈣>重鈣。
沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的一種指標(biāo)，對(duì)于無(wú)機(jī)粒子填充體系來(lái)說(shuō)，其大小
主要決定于基體樹(shù)脂的韌性，當(dāng)然也與填充粒子尺寸大小或比表面積有關(guān)。
輕鈣粒徑小，同樣條件下，沖擊強(qiáng)度比重鈣好。
2.3碳酸鈣對(duì)幾種塑料填充體系密度的影響
表3 CaCO3對(duì)幾種塑料填充體系密度的影響
碳酸鈣含量
項(xiàng)目 30wt% 40wt% 50wt% 60wt%
密度
/（g/cm3） HDPE填充體系 1 1.172 1.262 1.388 1.427
2 1.196 1.287 1.393 1.432
3 1.198 1.233 1.349 1.465
PP填充體系 1 1.104 1.154 1.241 1.380
2 1.148 1.174 1.273 1.367
3 1.122 1.176 1.252 1.393
PVC填充體系 1 1.623 1.722 1.801 1.875
2 1.612 1.722 1.796 1.867
3 1.631 1.709 1.796 1.882
表3列出了不同類型碳酸鈣、不同填加量的情況下，三種填充體系密度的
測(cè)定結(jié)果。從表中可以看出，隨著碳酸鈣含量的增加，各聚合物/碳酸鈣體
系的密度增大。而且還可以看出在相同填充量時(shí)，重鈣、輕鈣和混鈣填充
體系的密度相差不大。
拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度是高分子材料兩項(xiàng)主要力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)無(wú)機(jī)剛性
粒子填充體系來(lái)說(shuō)，在基體樹(shù)脂相同情況下，決定填充體系力學(xué)性能主要是
粒子的粒徑和粒子表面活化處理以及共混技術(shù)。本文為了對(duì)比重鈣、輕鈣和
混鈣在填充聚烯烴體系中的性能差異，采取相同目數(shù)、相同活化處理和共混
技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同填充量的情況下，填充體系的拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度之間的差別不大，在某些填充體系內(nèi)輕鈣似乎要好一些，這主要是由于
輕鈣堆積體積比重鈣大，相同目數(shù)下，輕鈣的比表面積大所致。但在某些情
況下，混鈣的性能比輕鈣好，個(gè)別情況下，重鈣又比輕鈣好，這主要由于它
們之間差異太小，某些測(cè)得的結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)。
填充體系的密度是由基體樹(shù)脂和無(wú)機(jī)填料的密度所決定，由于基體樹(shù)脂
相同，填料的密度基本相同，所以填充體系的密度相同也在情理之中。
3 結(jié)論
（1）重鈣、輕鈣和混鈣在相同目數(shù)、相同表面活化處理、相同填充量和
相同共混技術(shù)情況下，填充PP、HDPE、PVC的填充體系的拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度相差甚微，難以判斷哪一個(gè)好，哪一個(gè)差。
（2）在上述相同條件下三種填充體系的密度相近。也就是說(shuō)，重鈣和輕
鈣在相同填充量的情況下，塑料制品增重量基本相同，或者說(shuō)制得的制品體
積基本相同。所謂輕鈣是指它的表觀密度小，實(shí)質(zhì)上重鈣和輕鈣的密度基本
相同都是2.7g/cm3左右。所以上述相同條件下，三種填充體系的密度基本
相同。
（3）輕鈣在生產(chǎn)過(guò)程中能耗大，而且環(huán)境污染嚴(yán)重，所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，
在塑料行業(yè)中用重鈣替代輕鈣完全可行，尤其對(duì)于重鈣資源十分豐富、能源
資源匱乏的我國(guó)來(lái)說(shuō)，也勢(shì)在必行。
（4）輕鈣是用化學(xué)方法制備的，其粒徑很小，一般不足1μm，工業(yè)上所
謂輕鈣目數(shù)并非原生粒子的大小，而是多個(gè)原生粒子團(tuán)聚后的粒徑。無(wú)機(jī)粉
體填充塑料制品的韌性在其它條件相同情況下，將取決于無(wú)機(jī)粉體的粒徑，
粒徑越小，韌性越好。當(dāng)希望制品韌性好的情況下，選用輕鈣要比重鈣好。
但輕鈣的粒徑小易團(tuán)聚，不易表面活化處理，如果輕鈣的團(tuán)聚粒子不能充分
分散，則達(dá)不到增韌效果。所以采用輕鈣與重鈣混合使用，在某些制品中其
效果比單純用輕鈣或重鈣好，如PVC管材、異型材等
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