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）

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

超細；碳酸鈣；處理；分散；表面處理劑

1 實驗部分

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，同時不能使性能惡化，而材料性能取決于材料內部的細微結構尺寸及各種微結構之間的相容性。對于碳酸鈣填充聚烯烴而言，填充量的多少取決于兩個方面：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。從填充顆粒對材料性能影響看，顆粒在材料中的聚集體越小越不會惡化材料的性能。而碳酸鈣在基體材料中的聚集體，對于大的顆粒（如10μm）就是其本身，對于小顆粒（如納米粉體顆粒），由于表面張力較強，容易在聚烯烴基體材料中發生團聚，其聚集體是多個小顆粒的結合體，實際上也形成了大的聚集體。一般來說，顆粒越細，表面張力越強，越容易發生團聚。根據這一特點，選擇合適粒徑的碳酸鈣是很有必要的，既不會因為粒徑太大而使材料的性能惡化，又不會因為粒徑太小而團聚。因此，對于碳酸鈣的選擇，考慮在以下兩個方面進行：

（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分布區間，包括了最大粒徑、最小粒徑及分布指數等參數。

選擇了多個碳酸鈣供應商提供的碳酸鈣樣品，并進行了測試對比，根據對比結果，并考慮到獲得原料的難易程度，選擇了南京某公司生產的碳酸鈣。

下面的實驗都基于該公司的碳酸鈣進行的。

1.2 碳酸鈣的活化處理

填充物是否會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影響其在基體中的聚集狀態外，另一個關鍵因素是碳酸鈣與基體材料間的界面作用。由于碳酸鈣屬于無機材料，而聚烯烴屬于有機材料，兩者在化學極性上是不相容的，因此為了不影響材料的性能，對碳酸鈣表面進行活化處理是必須的。

在碳酸鈣的活化處理上，需要解決兩個問題：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，根據單分子層理論，用處理劑處理無機填料時，處理劑的用量根據經驗公式計算：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驗計算的基礎上，考慮到活化過程中的非理想狀態（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）。

在檢驗表面處理的效果上，測量了處理后碳酸鈣的接觸角，根據對比結果，所選定的幾種表面處理劑，當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%的硬脂酸對碳酸鈣進行表面處理，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較低。

此外，還嘗試了表面處理劑的復配，這種復配能充分發揮單種表面處理劑的作用，同時還會產生協同效果。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勢，在這方面，參與復配的表面處理劑種類的選擇及相對比例成為關鍵。

從總的來看，選擇何種表面處理劑及處理方式，還應考慮碳酸鈣填充分散方式，以及物料性狀和設備情況等。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，而且可以避免生產的一些操作問題，如加料中的架橋問題；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上固相混合，一次造粒制備專用料，只是這中間存在進料時的架橋問題。那么以有機改性劑處理的碳酸鈣應該都適合，但研究發現，硬脂酸處理的碳酸鈣的填充效果并不好。最后通過使用復配型表面處理劑處理過的碳酸鈣，具有好的填充效果，還可避免其中的架橋問題。

1.3.2 基料為粒料

此時，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，形成初級分散。因為高熔指聚烯烴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，對材料性能影響不大。同時，聚烯烴蠟具有一定的黏結性，碳酸鈣分散其中后還具有一定的強度，可以進行造粒，制成碳酸鈣母粒備用。

2 結束語

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10μm的碳酸鈣比較適合高填充聚丙烯復合材料的制備。

2）表面處理劑的選擇，針對一次造粒，使用復配的鋁酸酯和鈦酸酯表面處理劑，添加量在1%；針對二次造粒，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，一次造粒過程可以按常規方式進行；針對二次造粒，在母粒制備上，選用高流動的聚烯烴蠟做基料，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用料。

[1] 王德全.增強聚丙烯復合材料[J].現代塑料加工應用，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，主要從事生產運行管理工作。