碳酸鈣高填充聚丙烯性能研究

白新生

（新疆烏魯木齊石化公司塑料廠，新疆烏魯木齊 830019）

碳酸鈣高填充聚丙烯性能研究

白新生

（新疆烏魯木齊石化公司塑料廠，新疆烏魯木齊 830019）

為了將超細(xì)碳酸鈣（粒徑為0.1~2.5μm）盡可能多地（≥30%）填充到樹(shù)脂中，以達(dá)到降低成本而不惡化性能的目的，需要選擇具有最優(yōu)顆粒特性的碳酸鈣，并用合適的表面處理劑和合適的處理方法對(duì)其進(jìn)行表面處理，以獲得均勻的分散。

超細(xì)；碳酸鈣；處理；分散；表面處理劑

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 碳酸鈣的選擇

碳酸鈣填充到聚烯烴中作為填充劑，主要起改性和降低成本的作用。如果是為了降低成本，則希望填充得越多越好，同時(shí)不能使性能惡化，而材料性能取決于材料內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)尺寸及各種微結(jié)構(gòu)之間的相容性。對(duì)于碳酸鈣填充聚烯烴而言，填充量的多少取決于兩個(gè)方面：一是碳酸鈣顆粒的粒徑情況；二是碳酸鈣顆粒表面與聚烯烴基體材料的相容性。

碳酸鈣顆粒粒徑的影響。從填充顆粒對(duì)材料性能影響看，顆粒在材料中的聚集體越小越不會(huì)惡化材料的性能。而碳酸鈣在基體材料中的聚集體，對(duì)于大的顆粒（如10μm）就是其本身，對(duì)于小顆粒（如納米粉體顆粒），由于表面張力較強(qiáng)，容易在聚烯烴基體材料中發(fā)生團(tuán)聚，其聚集體是多個(gè)小顆粒的結(jié)合體，實(shí)際上也形成了大的聚集體。一般來(lái)說(shuō)，顆粒越細(xì)，表面張力越強(qiáng)，越容易發(fā)生團(tuán)聚。根據(jù)這一特點(diǎn)，選擇合適粒徑的碳酸鈣是很有必要的，既不會(huì)因?yàn)榱教蠖共牧系男阅軔夯?，又不?huì)因?yàn)榱教《鴪F(tuán)聚。因此，對(duì)于碳酸鈣的選擇，考慮在以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

（1）合適的平均粒徑；

（2）合適的粒徑分布，由于碳酸鈣粒徑都存在一個(gè)分布區(qū)間，包括了最大粒徑、最小粒徑及分布指數(shù)等參數(shù)。

選擇了多個(gè)碳酸鈣供應(yīng)商提供的碳酸鈣樣品，并進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，并考慮到獲得原料的難易程度，選擇了南京某公司生產(chǎn)的碳酸鈣。

下面的實(shí)驗(yàn)都基于該公司的碳酸鈣進(jìn)行的。

1.2 碳酸鈣的活化處理

填充物是否會(huì)惡化基體材料的性能，除了前面討論的填充物自身的粒徑大小會(huì)影響其在基體中的聚集狀態(tài)外，另一個(gè)關(guān)鍵因素是碳酸鈣與基體材料間的界面作用。由于碳酸鈣屬于無(wú)機(jī)材料，而聚烯烴屬于有機(jī)材料，兩者在化學(xué)極性上是不相容的，因此為了不影響材料的性能，對(duì)碳酸鈣表面進(jìn)行活化處理是必須的。

在碳酸鈣的活化處理上，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：①表面處理劑的選擇；②表面處理劑的用量。

表面處理劑包括了：硬脂酸，鋁酸酯，鈦酸酯。

表面處理劑的用量，根據(jù)單分子層理論，用處理劑處理無(wú)機(jī)填料時(shí)，處理劑的用量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：處理劑用量（g）=填料用量（g）×填料表面積（m2）/處理劑最小包覆面積（m2）。

表面處理劑用量在經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，考慮到活化過(guò)程中的非理想狀態(tài)（非單分子層包覆）和損耗，嘗試了以下幾組表面活性劑的用量：0.5%，1%，1.5%，2.0%（以碳酸鈣重量計(jì)）。

在檢驗(yàn)表面處理的效果上，測(cè)量了處理后碳酸鈣的接觸角，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，所選定的幾種表面處理劑，當(dāng)表面處理劑的含量大于1%后，其接觸角都接近180°（與水接觸），表明在碳酸鈣的表面已完全包裹上了親油層，達(dá)到了完全包覆的效果。因此，從成本的角度，選擇使用1%的硬脂酸對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面處理，可以起到較好的效果。在處理方法上比較方便，而且硬脂酸的成本相對(duì)較低。

此外，還嘗試了表面處理劑的復(fù)配，這種復(fù)配能充分發(fā)揮單種表面處理劑的作用，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效果。在最大限度填充聚烯烴方面具有明顯的效果，特別是在一次造粒上比較有優(yōu)勢(shì)，在這方面，參與復(fù)配的表面處理劑種類(lèi)的選擇及相對(duì)比例成為關(guān)鍵。

從總的來(lái)看，選擇何種表面處理劑及處理方式，還應(yīng)考慮碳酸鈣填充分散方式，以及物料性狀和設(shè)備情況等。如果聚烯烴基料是以粉料為主，那么一次造粒是首選，在這種情況下，以表面處理劑復(fù)配（鋁酸酯和鈦酸酯）為佳，這種情況下表面處理劑的成本稍高，但處理效果好，與聚烯烴基料的相容性好，能最大限度填充碳酸鈣，而且可以避免生產(chǎn)的一些操作問(wèn)題，如加料中的架橋問(wèn)題；如果聚烯烴的基料以粒料為主，那么在填充上首先需要制備母粒，然后是母粒與基料的混合使用，此時(shí)則以硬脂酸改性為主，可以降低成本或者以接枝聚丙烯改性碳酸鈣表面的方式為佳。

1.3 碳酸鈣的分散

根據(jù)前面的討論，在碳酸鈣的分散方式上，考慮了基料為粉料和粒料兩種情況。

1.3.1 基料為粉料

如果基料以粉料為主，由于碳酸鈣也是粒徑在1μm左右，在顆粒尺寸上與聚丙烯粉料接近，在松散堆密度上差距不大，適合大批量在高攪機(jī)上固相混合，一次造粒制備專(zhuān)用料，只是這中間存在進(jìn)料時(shí)的架橋問(wèn)題。那么以有機(jī)改性劑處理的碳酸鈣應(yīng)該都適合，但研究發(fā)現(xiàn)，硬脂酸處理的碳酸鈣的填充效果并不好。最后通過(guò)使用復(fù)配型表面處理劑處理過(guò)的碳酸鈣，具有好的填充效果，還可避免其中的架橋問(wèn)題。

1.3.2 基料為粒料

此時(shí)，由于粒徑上的差異，固相初始混合均勻很困難，所以首先必須制備母粒。對(duì)于碳酸鈣的分散，先把活化后的碳酸鈣分散在高熔指的聚烯烴蠟（聚乙烯蠟和聚丙烯蠟）中，形成初級(jí)分散。因?yàn)楦呷壑妇巯N蠟在高溫下的熔體黏度很低，這樣有利于碳酸鈣的分散，而且聚烯烴蠟與聚烯烴的基體材料相容性好，對(duì)材料性能影響不大。同時(shí)，聚烯烴蠟具有一定的黏結(jié)性，碳酸鈣分散其中后還具有一定的強(qiáng)度，可以進(jìn)行造粒，制成碳酸鈣母粒備用。

2 結(jié)束語(yǔ)

1）碳酸鈣的選擇，就具體的碳酸鈣粒徑而言，平均粒徑約1μm，最大粒徑不超過(guò)10μm的碳酸鈣比較適合高填充聚丙烯復(fù)合材料的制備。

2）表面處理劑的選擇，針對(duì)一次造粒，使用復(fù)配的鋁酸酯和鈦酸酯表面處理劑，添加量在1%；針對(duì)二次造粒，使用硬脂酸作表面處理劑，添加量在1%左右即可。

3）在分散和填充中，一次造粒過(guò)程可以按常規(guī)方式進(jìn)行；針對(duì)二次造粒，在母粒制備上，選用高流動(dòng)的聚烯烴蠟做基料，先制備高碳酸鈣含量的碳酸鈣母粒，然后用該母粒與聚丙烯料造粒制備專(zhuān)用料。

[1] 王德全.增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，1994，（3）：53-57.

Study on Properties of Calcium Carbonate Highly Filled Polypropylene

Bai Xin-sheng

In order to fill ultrafine calcium carbonate（between 0.1μm and 2.5μm）as much as possible（≥30%）into the resin to achieve the purpose of reducing the cost without deteriorating performance，Calcium carbonate having excellent particle properties and subjecting it to a surface treatment with a suitable surface treatment agent and a suitable treatment method to obtain a uniform dispersion.

ultrafine；calcium carbonate；treatment；dispersion；surface treatment agent

TQ325.1+2

A

1003–6490（2017）05–0132–02

2017–05–05

白新生（1966—），男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，主要從事生產(chǎn)運(yùn)行管理工作。