碳酸钙在PVC硬质发泡板材中的应用(碳酸钙发泡风管介绍）

一、PVC树脂的优势

PVC是目前中国最具有资源优势的一个塑料品种，2016年产能达到2326万吨，消费量只有1638万吨，属于产能严重过剩塑料品种，利用空间很大。

PVC是目前唯一非石油原料的塑料品种，也是唯一采用无机材料合成的有机聚合物，电石法PVC采用盐矿电解产生氯气、采用石灰石经电石产生乙炔，最后合成氯乙烯单体合成聚氯乙烯树脂。排除生产过程的碳排放，单纯的PVC树脂具有明显的低碳排放效应。

PVC还有容易改性和成本低的优势，尤其是可以添加大量的无机粉体碳酸钙。以前我们都是随意选取一个碳酸钙品种就添加，但是不同的碳酸钙品种、不同的碳酸钙粒度核分布、不同的碳酸钙表面处理程度都很大影响PVC制品的性能，如何选择好正确的碳酸钙即降低PVC制品的成本、又可以改性PVC制品的性能，就是今天要研究的内容。

二、碳酸钙的优势

依碳酸钙的来源不同，可将碳酸钙分为重质碳酸钙、轻质碳酸钙和生物碳酸钙三大类。

重质碳酸钙用天然方解石、大理石、白云石、石灰石等原矿经过选矿、清洗、破碎、研磨或再研磨、表面处理等工序而制成。

轻质碳酸钙是用化学加工方法制得的。它以石灰石为原料经煅烧、消化、碳化等化学过程制成，优点为组成比较均一、杂质含量低、堆积密度小、粒度比较细（2500目左右）、粒径分布均匀性高。轻质碳酸钙的又称为沉淀碳酸钙、沉降碳酸钙、胶质碳酸钙、活性碳酸钙，因其堆积密度明显低于重质碳酸钙而得名，但制成塑料填充复合制品的密度不一定低。

生物碳酸钙由蛋壳、珊瑚、贝壳、珍珠层等未经烧结的生物原料经清洗、粉碎、过筛而成，主要包括贝壳壳粉和牡蛎壳粉两类，碳酸钙含量97%左右，其余为有机质，并以氨基酸为主。与矿物碳酸钙相比，其优点为资源可以循环再生，生物生存过程吸收二氧化碳，并将二氧化碳固化，因此具有低碳性能。

碳酸钙具有价格低廉、来源广泛、成份稳定、无毒无味、色泽白、易着色、硬度低、易干燥、易细化、易分散、易表面处理、不磨损设备、化学稳定性高等优点，目前已经成为用量最大、用途最广的第一大类无机填料。我国的碳酸钙分布很广泛，很多地区如辽宁海城、四川雅安、广西河池和贺州、湖北恩施、安徽池州等都盛产优质碳酸钙，国外如越南、印度、土耳其的碳酸钙也都很好。

2016年中国塑料行业用碳酸钙为800万吨左右，其中轻质碳酸钙占到30%左右。这些碳酸钙可以代替800万吨树脂，代替1500万吨石油，具有十分显著的低碳环保价值。

碳酸钙看起来很简单，其实应用起来有很多诀窍，而且研究得越透彻，做出来的制品性价比越好，可以为企业创造出更高的经济效益。

三、碳酸钙在PVC发泡板材中应用

对于PVC发泡板材而言，碳酸钙填充是否影响发泡性能发挥十分复杂，主要取决于碳酸钙的尺寸、添加量、分散性和含水量，如果碳酸钙的这些因素使用得当就可以促进发泡，反之会严重影响发泡。

碳酸钙可以正面促进发泡的原因两个：一是碳酸钙可以作为成核剂，吸附发泡气体形成气泡核，控制泡孔的数量，使PVC泡孔更细；二是碳酸钙可以改善PVC的熔体性能，自身刚性比较大的碳酸钙可以减缓熔体变形和移动能力，从而可以抑制泡孔过快膨胀，控制泡孔尺寸更细。但是并不是所有的碳酸钙都可以促进PVC发泡，碳酸钙必须如下得当的条件才能促进发泡。碳酸钙如何选择和处理才算得当？具体要看碳酸钙的下列因素如何控制？

1、碳酸钙特性的选择

碳酸钙的尺寸 碳酸钙粒径大小与发泡剂匹配时就可以起到成核剂的作用，对于发泡会起到正面作用，具体合适的尺寸为小于5μm、大于不团聚的尺寸1.5μm。如果无机粉体的粒度大于10μm，或者太细导致自身团聚起不导成核剂作用，对于发泡就有一定负面影响。本人建议选择3000目（4μm）碳酸钙，这个尺寸既可以保证尺寸不大于5μm、又可以保证不团聚。

碳酸钙加入量 适宜的碳酸钙加入量可以促进发泡质量，一般建议最佳填充量为10%-20%。碳酸钙加入量太低，熔体中形成不了足够的的成核点，造成发泡倍率偏低；碳酸钙加入量太高，是可以形成很多成核点，但是填充过大熔体强大太低，导致过多破泡，也同样降低发泡倍率。

碳酸钙分散性 如果无机粉体在树脂中分散很均匀，就可以保证没有团聚现象出现，保证碳酸钙尺寸在5μm尺寸就可以称为成核剂，就不影响发泡成型。保证碳酸钙分散性的方法为碳酸钙表面处理，如果无机粉体表面处理的彻底，完全改变了原来的亲水性为亲油性，就可以不影响发泡成型。具体表面处理方式可以采用双亲处理方式，即用铝酸酯偶联剂/多元醇表面活性剂双重处理，或者选择铝钛酸酯偶联剂处理。保证碳酸钙分散性的办法一个是尺寸合适，另一个就是表面偶联剂包覆处理。如果碳酸钙表面包覆处理的不彻底，就会造成分散不均匀，导致细粉体团聚成较大的颗粒，由于碳酸钙的导热系数远远大于树脂，从而在熔体中开始吸收热量形成局部过热点，降低了过热点附近熔体的强度。发泡剂过早分解，导致制品还未到达冷却区域提前发泡，造成制品表面未结皮或者结皮不良。

碳酸钙含水量 如果无机粉体的含水量小于0.5%，填充基本不影响发泡成型。

结论：选择3000目左右的碳酸钙，加入量控制在10%-20%，保证在PVC中分散均匀，就算碳酸钙使用得当，就可以促进PVC发泡质量提高。

2、碳酸钙品种的选择

碳酸钙的特性要求已经选择好，面对众多碳酸钙品种如何选择？在上述各类碳酸钙品种中，PVC倾向于选择轻质碳酸钙，具体的原因如下。

协助稳定：轻质碳酸钙的PH值高为9-10，而重质碳酸钙的PH值为8-9，因此轻质碳酸钙的碱性更强，可以大量吸收PVC分解产生的HCL，辅助热稳定剂起到热稳定作用。

粒度优势：轻质碳酸钙的自身粒度比较细，一般轻松可以达到2500目作用，这类粒度正是PVC需要的，可以满足PVC管材和型材的性能需要。而重质碳酸钙只是最近10年才可以达到这个粒度，因为使用习惯在逐渐选择重质碳酸钙。

消除色光：PVC制品一般含有黄色色光，而轻质碳碳酸钙含有蓝色色光，加入正好可以消除黄色色光。

改善韧性：轻质碳酸钙对PVC制品的冲击强度改性有利，而重质碳酸钙对拉伸强度的贡献突出。

但是目前因为重质碳酸钙的粒度已经可以达到纳米级别，PVC选择重质碳酸钙和轻质碳酸钙都可以，考虑到两种碳酸钙在改性贡献的测重点不同，往往选择两种复合使用最好，一般选择大方解石重质碳酸钙/轻质碳酸钙3/1比例，可以兼顾PVC的拉伸强度和冲击强度。

对于重质碳酸钙和轻质碳酸钙而言，在配方设计上稍有不同。对与选用轻质碳酸钙的PVC配方：轻质碳酸钙可以促进PVC的热稳定性，因此配方可以相应减少稳定剂含量；轻质碳酸钙对冲击强度有利，可以相应减少增韧剂用量；轻质碳酸钙的吸油值比较高，需要相应增加小分子助剂如偶联剂、润滑剂、分散剂的用量。对于选择重质碳酸钙的配方，正好相反。

来源： 王文广教授塑料配方与改性咨询