碳酸钙高填充聚丙烯性能研究

白新生

（新疆乌鲁木齐石化公司塑料厂，新疆乌鲁木齐 830019）

碳酸钙高填充聚丙烯性能研究

白新生

（新疆乌鲁木齐石化公司塑料厂，新疆乌鲁木齐 830019）

为了将超细碳酸钙（粒径为0.1~2.5μm）尽可能多地（≥30%）填充到树脂中，以达到降低成本而不恶化性能的目的，需要选择具有最优颗粒特性的碳酸钙，并用合适的表面处理剂和合适的处理方法对其进行表面处理，以获得均匀的分散。

超细；碳酸钙；处理；分散；表面处理剂

1 实验部分

1.1 碳酸钙的选择

碳酸钙填充到聚烯烃中作为填充剂，主要起改性和降低成本的作用。如果是为了降低成本，则希望填充得越多越好，同时不能使性能恶化，而材料性能取决于材料内部的细微结构尺寸及各种微结构之间的相容性。对于碳酸钙填充聚烯烃而言，填充量的多少取决于两个方面：一是碳酸钙颗粒的粒径情况；二是碳酸钙颗粒表面与聚烯烃基体材料的相容性。

碳酸钙颗粒粒径的影响。从填充颗粒对材料性能影响看，颗粒在材料中的聚集体越小越不会恶化材料的性能。而碳酸钙在基体材料中的聚集体，对于大的颗粒（如10μm）就是其本身，对于小颗粒（如纳米粉体颗粒），由于表面张力较强，容易在聚烯烃基体材料中发生团聚，其聚集体是多个小颗粒的结合体，实际上也形成了大的聚集体。一般来说，颗粒越细，表面张力越强，越容易发生团聚。根据这一特点，选择合适粒径的碳酸钙是很有必要的，既不会因为粒径太大而使材料的性能恶化，又不会因为粒径太小而团聚。因此，对于碳酸钙的选择，考虑在以下两个方面进行：

（1）合适的平均粒径；

（2）合适的粒径分布，由于碳酸钙粒径都存在一个分布区间，包括了最大粒径、最小粒径及分布指数等参数。

选择了多个碳酸钙供应商提供的碳酸钙样品，并进行了测试对比，根据对比结果，并考虑到获得原料的难易程度，选择了南京某公司生产的碳酸钙。

下面的实验都基于该公司的碳酸钙进行的。

1.2 碳酸钙的活化处理

填充物是否会恶化基体材料的性能，除了前面讨论的填充物自身的粒径大小会影响其在基体中的聚集状态外，另一个关键因素是碳酸钙与基体材料间的界面作用。由于碳酸钙属于无机材料，而聚烯烃属于有机材料，两者在化学极性上是不相容的，因此为了不影响材料的性能，对碳酸钙表面进行活化处理是必须的。

在碳酸钙的活化处理上，需要解决两个问题：①表面处理剂的选择；②表面处理剂的用量。

表面处理剂包括了：硬脂酸，铝酸酯，钛酸酯。

表面处理剂的用量，根据单分子层理论，用处理剂处理无机填料时，处理剂的用量根据经验公式计算：处理剂用量（g）=填料用量（g）×填料表面积（m2）/处理剂最小包覆面积（m2）。

表面处理剂用量在经验计算的基础上，考虑到活化过程中的非理想状态（非单分子层包覆）和损耗，尝试了以下几组表面活性剂的用量：0.5%，1%，1.5%，2.0%（以碳酸钙重量计）。

在检验表面处理的效果上，测量了处理后碳酸钙的接触角，根据对比结果，所选定的几种表面处理剂，当表面处理剂的含量大于1%后，其接触角都接近180°（与水接触），表明在碳酸钙的表面已完全包裹上了亲油层，达到了完全包覆的效果。因此，从成本的角度，选择使用1%的硬脂酸对碳酸钙进行表面处理，可以起到较好的效果。在处理方法上比较方便，而且硬脂酸的成本相对较低。

此外，还尝试了表面处理剂的复配，这种复配能充分发挥单种表面处理剂的作用，同时还会产生协同效果。在最大限度填充聚烯烃方面具有明显的效果，特别是在一次造粒上比较有优势，在这方面，参与复配的表面处理剂种类的选择及相对比例成为关键。

从总的来看，选择何种表面处理剂及处理方式，还应考虑碳酸钙填充分散方式，以及物料性状和设备情况等。如果聚烯烃基料是以粉料为主，那么一次造粒是首选，在这种情况下，以表面处理剂复配（铝酸酯和钛酸酯）为佳，这种情况下表面处理剂的成本稍高，但处理效果好，与聚烯烃基料的相容性好，能最大限度填充碳酸钙，而且可以避免生产的一些操作问题，如加料中的架桥问题；如果聚烯烃的基料以粒料为主，那么在填充上首先需要制备母粒，然后是母粒与基料的混合使用，此时则以硬脂酸改性为主，可以降低成本或者以接枝聚丙烯改性碳酸钙表面的方式为佳。

1.3 碳酸钙的分散

根据前面的讨论，在碳酸钙的分散方式上，考虑了基料为粉料和粒料两种情况。

1.3.1 基料为粉料

如果基料以粉料为主，由于碳酸钙也是粒径在1μm左右，在颗粒尺寸上与聚丙烯粉料接近，在松散堆密度上差距不大，适合大批量在高搅机上固相混合，一次造粒制备专用料，只是这中间存在进料时的架桥问题。那么以有机改性剂处理的碳酸钙应该都适合，但研究发现，硬脂酸处理的碳酸钙的填充效果并不好。最后通过使用复配型表面处理剂处理过的碳酸钙，具有好的填充效果，还可避免其中的架桥问题。

1.3.2 基料为粒料

此时，由于粒径上的差异，固相初始混合均匀很困难，所以首先必须制备母粒。对于碳酸钙的分散，先把活化后的碳酸钙分散在高熔指的聚烯烃蜡（聚乙烯蜡和聚丙烯蜡）中，形成初级分散。因为高熔指聚烯烃蜡在高温下的熔体黏度很低，这样有利于碳酸钙的分散，而且聚烯烃蜡与聚烯烃的基体材料相容性好，对材料性能影响不大。同时，聚烯烃蜡具有一定的黏结性，碳酸钙分散其中后还具有一定的强度，可以进行造粒，制成碳酸钙母粒备用。

2 结束语

1）碳酸钙的选择，就具体的碳酸钙粒径而言，平均粒径约1μm，最大粒径不超过10μm的碳酸钙比较适合高填充聚丙烯复合材料的制备。

2）表面处理剂的选择，针对一次造粒，使用复配的铝酸酯和钛酸酯表面处理剂，添加量在1%；针对二次造粒，使用硬脂酸作表面处理剂，添加量在1%左右即可。

3）在分散和填充中，一次造粒过程可以按常规方式进行；针对二次造粒，在母粒制备上，选用高流动的聚烯烃蜡做基料，先制备高碳酸钙含量的碳酸钙母粒，然后用该母粒与聚丙烯料造粒制备专用料。

[1] 王德全.增强聚丙烯复合材料[J].现代塑料加工应用，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，新疆乌鲁木齐人，助理工程师，主要从事生产运行管理工作。