碳酸鈣特性和塑料對碳酸鈣的基本要求

       碳酸鈣的特性      碳酸鈣在塑料中大量使用，得到塑料行業高度重視不是偶然的，相比起其它非金屬礦物粉體材料，碳酸鈣具有明顯的優勢。      1）價格便宜 無論是重鈣還是輕鈣在各種非礦粉體材料是價格最低的，也就是說任何一種非礦粉體材料僅僅試圖替代碳酸鈣作為塑料填充料使用，而不是突顯這種粉體材料本身的特點，那是沒有意義的。      2）色澤好，易着色 且可以做淺色塑料制品。不足之處是着色的塑料制品色澤不夠鮮艷，在多數情況下還是可以接受的。

       3）硬度低 其莫氏硬度為3，遠遠低於製造加工機械設備與模具所用鋼材（如氮化鋼、高速鋼）的硬度，因此填充塑料對所接觸的設備部件（螺杆、螺筒等）和模具的磨損較輕。       4）熱穩定性及化學穩定性良好       在碳酸鈣的熱分解溫度在800℃以上，在所有的塑料加工溫度下（300℃以下）都不會發生熱分解      碳酸鈣是強碱弱酸鹽，除遇酸性介質外，其化學穩定性良好。

      5）易乾燥，無結晶水，吸附的水分通過加熱容易除去。

      6）無毒、無刺激性、無味，特別是我國的方解石、大理石、石灰石資源豐富，可選擇餘地大，絕大多數資源品質優良，特別是重金屬含量極低，達到國家衛生級要求。

      碳酸鈣對填充塑料性能的影響      1）對密度的影響      重鈣和輕鈣在真實密度上區別不明顯，前者為2.6~2.9g/cm3，後者為2.4~2.6 g/cm3，它們的主要區別主是要堆積密度差別顯著，工業上用沉降體積來區分重鈣和輕鈣，即在無水乙醇中2.5mL/g以上為輕鈣，而重鈣在1.2~1.9mL/g。

     堆積密度不同主要由於碳酸鈣粉體顆粒的晶形不同，輕鈣粒子為紡錘形（棗核形），具有一定的長徑比，而重鈣多呈破碎后的塊狀。這種顆粒形狀的差異導致在基體塑料中，碳酸鈣粒子是以大大小小凝聚體形式像海島一樣存在的，它們所佔據的空間大小也不相同。從宏觀上看，填料的添加量相同時，不同的填料，重鈣或是輕鈣，甚至目數不同的重鈣，都會造成塑料制品長度、面積或制品個數的不同。表3列出輕鈣或不同目數的重鈣填充PVC芯層發泡管材的密度變化情況。

對塑料制品成型尺寸變化率的影響

     塑料制品在成型后的冷卻過程中會產生收縮，無論是擠出、壓延還是注塑、吹塑成型都會存在這種現象，尤其是注塑成型制品如果對制品尺寸變化的規律掌握不好，就會出現翹曲、塌陷等現象，影響制品的外觀。例如，ABS樹脂的成型收縮率僅為0.5%左右，依此設計製造的模具用於PP材料的注塑成型，由於純PP材料的成型收縮率為1.5%~2.0%，大大高于ABS樹脂，因此同樣模具注塑出來的制品，由於材料不同，其外型有可能變化很大。碳酸鈣和其它非礦粉體材料加入會使填充塑料的成型尺寸變化率（收縮率）大大小於純基體塑料。例如，在聚丙烯塑料中加入30%~40%的碳酸鈣或滑石粉，其注塑成型尺寸變化率可從純PP的2.0%下降至1.0%以下。這意味着如果用注塑ABS材料的模具換成注塑純PP材料，需要重新設計和製造模具，而如果用碳酸鈣40%的填充PP材料，仍然還可以使用原來的模具。對塑料用碳酸鈣的基本要求

     了解了碳酸鈣本身的特性以及碳酸鈣對填充塑料性能的影響之後，提出對塑料用碳酸鈣的基本要求就比較簡單了。      1）碳酸鈣含量要高，硅、鐵等元素的化合物要儘量低，有害重金屬元素含量更要嚴格要求。白雲石的主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂，按理說應當也可以用做塑料的填料。但從實際使用的效果看，白雲石粉加入塑料中（聚乙烯、聚丙烯）會使整個填充物呈現灰色。到目前為止，還未得到合理的解釋。     硅化合物的存在，有可能使聚氯乙烯發生輕度交聯或引發熱降解，如造紙碱回收排出的白泥中，碳酸鈣含量達95%以上，但有的白泥中酸不溶物含量高，會使聚氯乙烯熱穩定性減弱，而同樣的白泥不會影響聚乙烯或聚丙烯的熱穩定性。在重鈣中硅化合物的存在會導致顆粒硬度增大，含硅高的方解石粉製作的填充母料用於聚丙烯扁絲生產時，分切刀片易磨損就是証明。

     鐵含量高會影響重鈣粉的色澤，易發黃，特別是在表面處理時遇到硬脂酸等酸性物質時，在高溫下極易變黃。      在碳酸鈣用於接觸食品的塑料制時，如一次性餐具、包裝袋等，要嚴格篩選所用的碳酸鈣，以確保重金屬元素含量符合衛生要求。       2）白度要盡可能高     無論重鈣還是輕鈣，其白度主要取決于資源。對於塑料材料來說，白度高低並不影響材料的力學性能和加工性能，但白度高給人的感覺好，同樣的性能白度高的更具競爭優勢。       3）吸油值越低越好     100g粉體材料所能吸收的鄰苯二甲酸丁二醇酯（DBP）的最大量稱之為該材料的吸油值。

     對於某些塑料制品，如軟質聚氯乙烯、人造革、電纜料等，需使用增塑劑，碳酸鈣吸油值越高，越易將增塑劑吸附到填料中，使其失去增塑樹脂的作用，從而為達到一定的柔軟度需加大增塑劑用量，造成成本上升。通過對碳酸鈣表面處理，將碳酸鈣顆粒表麵包覆，可以降低其吸油值。例如，經偶聯劑處理的輕質碳酸鈣其吸油值可從92.91g/100g降至49.33g/100g。      4）細度要適當，並非越細越好，粒徑分布也要因需而定     對填充塑料來說，所用的填料粒徑越小，同樣填充比例時，其填充塑料材料的力學性能越好，但其前提是粉體顆粒在塑料基體中均勻分散，即以單個顆粒的形式像海島一樣分散在基體塑料的汪洋大海中。如果是凝聚體，甚至是大的團粒，則不僅不能帶來好的影響，反而會成為材料中最薄弱的區域，比實體大顆粒的作用還要差。鑒於我國目前對粉體材料表面處理及在塑料基體中的分散技術還不十分理想，塑料行業中使用的加工機械設備還不足以將過細的粉體顆粒完全分散開來，因此非礦粉體加工企業不應追求越細越好。這也是納米碳酸鈣未能在塑料行業中推廣使用的重要原因。      我們使用的重鈣按粗細大致分為三大類，400目、800目和1250目，其實際使用的比例大約為60:30:10，也就是說，作為重鈣產品，塑料行業用量最大的是400目的，當然現在用量增長最快的1250目的。表6 碳酸鈣粒徑大小對填充HDPE薄膜力學性能的影響

 力學性能CaCO3粒徑  拉伸強度（縱/橫）/MPa      斷裂伸長率（縱/橫）/%

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電纜屏蔽有非金屬屏蔽和金屬屏蔽兩種形式。採用哪一種屏蔽形式取決于電纜的種類，如電力電纜主要是為了屏蔽和均化電場，承載短路電流，而通訊電纜則要屏蔽電磁場，以消除線芯間和外部對電纜的干擾。電力電纜的屏蔽同時具有非金屬屏蔽和金屬屏蔽形式，具體取決于電纜的電壓等級和短路電流的大小等，對於金屬屏蔽部分還取決于以及金屬材料的導電性、熱性能、結構和加工方式等，通訊電纜則多為金屬屏蔽。這裡就電纜的屏蔽作用、結構和材料進行了簡單介紹。2．屏蔽的作用2.1 均化電場實心的導體相對表面比較光滑，電場的分布比較均勻。絞合的導電線芯由於是有多根單線組成，線芯表面各點電場分布不均勻，單線半徑的大小和其表面場強的大小成反比關係，這就產生多導絲效應。導體因加工產生的毛刺、粉屑，造成尖端放電，也需要導體屏蔽。為了使導體表面的電場分布相對比較均勻，只有繞包帶屏蔽和擠出屏蔽層，才能均化電場消除這些效應導電線芯電場分垂直和相切兩個方向的分量。如沒有半導電層，對於繞包類型的絕緣來說易產生移滑放電；另外切向方向的場強使絕緣的耐壓降低10～15倍，降低了絕緣強度和絕緣的效果。多芯電纜填充處有電場。由於填充處絕緣材料的本身耐電強度較低，因此使電纜的整體絕緣水平下降。半導電材料主要是由部分碳黑組成，碳黑除有半導電的作用外也可以吸附氣體雜質，使相應面的絕緣的長期電場強度降低，避免電纜絕緣外表面發生游離，提高電纜的使用壽命。為了避免電場過於集中，常採用半導電層結構改變電場的方向，避免繞包絕緣產生移滑放電，使多芯電纜的填充處於無電場狀態；半導電層中的炭黑可以吸附氣體雜質。屏蔽氣泡不受電場作用，對於絞合的導體，由於是由多根單線膠合而成，表面單線突出的電場強度和凹進部分相比可提高30%。2.2  減少干擾我們都知道電場和磁場是交互變化而存在的統一體，變化的電場產生變化的磁場影響週圍媒質，從而產生對其他載流迴路產生干擾，電磁場的作用是電場和磁場產生干擾作用的總和。在電場和磁場的作用下，電流對迴路之間的不平衡而引起的電干擾和磁干擾。干擾的產生可分為電感、電容、電阻在迴路產生相應的感抗、容抗和阻抗，而產生相應的損耗。

通信電纜的頻率較高，比較容易產生干擾，電力電纜的頻率較低，而比較容易產生損耗。

採用合理的屏蔽結構和有效的接地方式，就能夠較少干和損耗。2.3  熱屏蔽由於導體的導電性能比較好，對流過其本身的電流有較小的電阻，因此導電率較高。絕緣體的絕緣性能較高，對電流又較大的電阻，電流幾乎不可能穿透絕緣體，因此絕緣電阻率較高。導電性能高的材料也相對有較高的導熱性能，絕緣性能較高的材料必然有較高的熱阻，導電性能的不同對熱導的性能也有所不同，半導電材料的導電性能和導熱性能介於導體和絕緣體之間。如果電力電纜發生短路，導體流過大的電流使其溫度突然升高，由於採用了內半導電屏蔽層，就防止了過高的溫度直接作用到絕緣層上，不致因熱衝擊而損傷絕緣層，在這種情況下，內屏蔽層就起到了熱屏蔽作用，也可以稱為熱緩衝層。在絕緣或半導電屏蔽表面上繞包或擠出一層金屬屏蔽，不但使圓形導體電纜填充處無電場，而且因為金屬屏蔽散熱效果好，在意外短路的情況