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、價格最低廉的無
機填料。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（簡稱重鈣）和輕質(zhì)CaCO3
（簡稱輕鈣）。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
包裝而成，生產(chǎn)方法簡便、能耗小、成本低；而輕鈣是用化學方法制成的，
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，如從原料資源來說，輕鈣原料資源更豐富。
目前發(fā)達國家用于塑料工業(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)達國家。
隨著CaCO3在塑料中的應用量逐漸增大，重鈣加工設備和分級方法的進步，
生產(chǎn)超細微粉重質(zhì)CaCO3已不是困難的事，未來使用重鈣取代輕鈣是一種必
然趨勢。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)廠家和用戶普遍關注的問題，為此，我們就重鈣和輕鈣在幾種塑
料中的應用作了對比研究，并取得較為有意義的結果。
本文采用重鈣、輕鈣和混鈣（重鈣:輕鈣=1:1）對HDPE、PP、硬質(zhì)PVC
進行填充改性，并對填充體系的拉伸強度、沖擊強度和密度進行比較，得到
一些有益的結果。
1 實驗部分
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試驗設備與儀器
雙螺桿擠出機（德國WP公司ZSK30型）、切粒機（上�；C械四廠
SQ-2型）、高速混合機（北京塑料機械廠CH-10型）、雙滾筒煉塑機（上
海橡膠機械廠SK-160B型）、塑料注射機（廣東順德塑料機械廠OJ-150
型）、沖擊試驗機（XCJ-500型）、拉力試驗機（廣東材料試驗機械廠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樹脂、2wt%固體石蠟混勻，并分別用擠出機混煉造粒，烘干后注
塑成各種標準性能測試樣條。
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樹脂及助劑混
合物（PVCl00份，穩(wěn)定劑5份，增塑劑5份，潤滑劑1.5份）在高混機中混合
10min出料，然后在雙滾筒煉塑機上塑煉10min，將制成的片材剪成條狀進
行粉碎，最后用注射機制成各種標準性能測試樣條。
1.4性能測試
拉伸強度測試按GB/T 1040-92進行。
Izod缺口沖擊強度測試按GB/T 1040-80進行。
密度測試按GB 1033-86進行。
2 實驗結果與討論
2.1碳酸鈣對幾種塑料填充體系拉伸強度的影響
表1 CaCO3對幾種塑料填充體系拉伸強度的影響
碳酸鈣含量
項目 30wt% 40wt% 50wt% 60wt%
拉伸強度
/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各種塑料填充體系拉伸強度測試結果見
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
度變化趨勢并非完全一樣。對于HDPE、PP填充體系，在CaCO3為40wt%
時，其拉伸強度出現(xiàn)最大，然后隨CaCO3含量增加緩慢下降。而對于PVC
填充體系，CaCO3填充量越多，拉伸強度越小。重鈣、輕鈣和混鈣填充量
對拉伸強度的影響規(guī)律基本相同。
在HDPE填充體系，相同填充量情況下，拉伸強度：混鈣>輕鈣>重鈣。
對于PP填充體系，相同填充量下，拉伸強度：輕鈣>混鈣>重鈣，但之間相
差很小。對于PVC填充體系，不同填充量對拉伸強度影響不完全相同。當填
充量為30wt%時，拉伸強度：重鈣>輕鈣>混鈣；當填充量為40wt%時，
拉伸強度：重鈣≈輕鈣>混鈣；當填充量為50wt%、60wt%時拉伸強度：
輕鈣>重鈣>混鈣。
三種不同類型CaCO3填充同一種樹脂在相同填充量的情況下，雖然拉伸
強度不完全相同，但差別不是太大，而且影響并無規(guī)律性!
表2 CaCO3對幾種塑料填充體系沖擊強度的影響
碳酸鈣含量
項目 30wt% 40wt% 50wt% 60wt%
沖擊強度
/（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碳酸鈣對幾種塑料填充體系沖擊強度的影響
不同類型CaCO3和不同填充量對各種聚烯烴填充體系沖擊強度測試結果
見表2。從表2中具體數(shù)據(jù)可以看出：對于重鈣來說，隨著填充量的增加，三
種填充體系的沖擊強度均呈下降趨勢；對于輕鈣和混鈣來說，PVC填充體系
隨填充量增加呈下降趨勢，而對HDPE、PP填充體系，則隨填充量增加開始
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度：輕鈣>混鈣>重鈣。
沖擊強度是衡量材料韌性的一種指標，對于無機粒子填充體系來說，其大小
主要決定于基體樹脂的韌性，當然也與填充粒子尺寸大小或比表面積有關。
輕鈣粒徑小，同樣條件下，沖擊強度比重鈣好。
2.3碳酸鈣對幾種塑料填充體系密度的影響
表3 CaCO3對幾種塑料填充體系密度的影響
碳酸鈣含量
項目 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
測定結果。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，重鈣、輕鈣和混鈣填充
體系的密度相差不大。
拉伸強度與沖擊強度是高分子材料兩項主要力學性能指標，對無機剛性
粒子填充體系來說，在基體樹脂相同情況下，決定填充體系力學性能主要是
粒子的粒徑和粒子表面活化處理以及共混技術。本文為了對比重鈣、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。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在相同填充量的情況下，填充體系的拉伸強度和沖擊
強度之間的差別不大，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，某些測得的結果在誤差范圍之內(nèi)。
填充體系的密度是由基體樹脂和無機填料的密度所決定，由于基體樹脂
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
相同共混技術情況下，填充PP、HDPE、PVC的填充體系的拉伸強度和沖擊
強度相差甚微，難以判斷哪一個好，哪一個差。
（2）在上述相同條件下三種填充體系的密度相近。也就是說，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)過程中能耗大，而且環(huán)境污染嚴重，所以從長遠考慮，
在塑料行業(yè)中用重鈣替代輕鈣完全可行，尤其對于重鈣資源十分豐富、能源
資源匱乏的我國來說，也勢在必行。
（4）輕鈣是用化學方法制備的，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，而是多個原生粒子團聚后的粒徑。無機粉
體填充塑料制品的韌性在其它條件相同情況下，將取決于無機粉體的粒徑，
粒徑越小，韌性越好。當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聚，不易表面活化處理，如果輕鈣的團聚粒子不能充分
分散，則達不到增韌效果。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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