如何區分輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣
如何區分輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣
摘要：在PVC管材中加入適量碳酸鈣可顯著提高管材的抗沖擊性能，降低產品的成本，但是不同品種碳酸鈣的改性效果大不相同，本文著重介紹如何區分輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣。
關鍵詞：輕質碳酸鈣；重質碳酸鈣
眾所周知，重質碳酸鈣（簡稱重鈣）和輕質碳酸鈣（簡稱輕鈣）是塑料工業中使用數量最大、應用面最廣的粉體填料。我國塑料制品的年產量已超過1萬噸，以塑料用粉體填料數量占塑料制品總量8%，碳酸鈣在各種粉體填料總量占70%計算，目前我國塑料工業每年使用的各種規格的碳酸鈣在570萬噸左右。碳酸鈣以價格低廉、使用方便、副作用少等多優點成為塑料加工行業首選的增量材料，為碳酸鈣行業帶來巨大商機。
塑料制品行業每年應用570萬噸碳酸鈣，其經濟性是不言而喻的，由于可代替以石油為原料的合成樹脂，相當于國家少建2-3座大型石油化工廠，不僅可以節約數百億元的投資，而且節約下來的是地球上不可再生且日益成為國家必爭的戰略資源的石油，對環境的是不可磨滅的貢獻。
多年的應用實踐表明，碳酸鈣不僅可以降低塑料制品的原材料成本，而且還具有改善塑料材料某些性能的作用，近幾年來的研究更是獲得可喜成果，多家大專院校和科研單位的研究成果表明，不同種類的碳酸鈣如使用得當，可顯著提高基體塑料的性能，但輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣的區分一直困擾著多數用戶，本文作者分多個方面介紹其不同。
1 來源方式不同
輕質碳酸鈣是化學合成的碳酸鈣，又稱沉淀碳酸鈣、膠體碳酸鈣或者活性碳酸鈣，甚至可以生產出納米碳酸鈣，簡稱輕鈣。它是將石灰石原料煅燒生成石灰和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳，其主要成分氫氧化鈣，通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，經脫水、干燥和粉碎制得，或者由碳酸納和氯化鈣進行復分解反應生成碳酸鈣沉淀，經脫水、干燥和粉碎制得。重質碳酸鈣簡稱重鈣，是用機械方法直接粉碎天然的方解石、大理石、白堊、貝殼等制得。
2 堆積密度不同
重鈣與輕鈣最明顯的區別就在于產品的堆積密度不同，重鈣產品的堆積密度較大，一般為0.8-1.3g/cm3；而輕鈣產品的堆積密度較小，多為0.5-0.7g/cm3；一些納米碳酸鈣產品的堆積密度甚至更低，可達到0.28g/cm3左右。由產品的包裝體積也可以粗略分辨出重鈣和輕鈣產品，一般重鈣產品多為25kg/包，產品包裝體積較小，而同等質量的輕鈣產品包裝體積明顯較大，一些納米碳酸鈣產品還采用15kg/包或20kg/包的包裝。
3 白度大小不同
由于重鈣產品相對雜質較多，因此產品白度一般為89%-93%，只有極少數的產品能達到95%。而輕鈣產品因為化學合成制成，去除了很多雜質，產品純凈度高，因此白度多為92%-95%，部分產品可以達到96%-97%，這也是輕鈣產品多用于高檔或淺色制品填充的主要原因。
4 水分含量不同
重鈣產品水分一般為0.2%-0.3%，水分含量比較低同時也較為穩定，一些高檔的重鈣產品水分甚至可以達到0.1%左右。普通輕鈣產品水分0.3%-0.8%，有時會有一定的波動不太穩定。傳統上重、輕鈣的區分就是用水份儀器測試水分，水分大到接近1%就是輕鈣，小到0.1%以下為重鈣。
5 粒徑大小不同
重鈣產品的粒徑為0.5-45um不等，產品粒徑因粉碎設備不同而不同。普通輕鈣產品的粒徑一般為0.5-15um，因顆粒形狀為紡錘形難以準確測定，一般是一個范圍；輕鈣中的納米碳酸鈣粒徑更細，尺寸一般為20-200nm。普通輕質碳酸鈣的粒度一般在2500目左右，可以滿足PVC管材和型材的性能需要，所以從粒度上考慮傳統上PVC管材和型材都選用輕質碳酸鈣。以往因粉碎設備的限制，重質碳酸鈣細度較大，現在重質碳酸鈣的粒度完全可以滿足需要，甚至比輕質碳酸鈣更細，所以目前PVC管材和型材兩者都可以選用。
碳酸鈣粒徑的測定可以用粒度分析儀。
6 味道不同
輕鈣因石灰石煅燒后去除掉很多雜質一般來說白度較高，純度也較高，但國產有的輕鈣因為氧化鈣反應不完全，殘留有石灰味道，如果用于食品行業，如填充餅干則會有嗆人的味道，而重鈣沒有。另外，過多的氧化鈣會造成產品在水性體系偏堿性或者PH值不好調節，導致成品不穩定。此外，兩者的磷酸含量不同，輕鈣中有時為了調整PH值處于合理范圍需要加入少量磷酸，而重鈣則沒有。
7 顆粒形狀不同
用高倍顯微鏡看，重鈣產品由于采用機械粉碎和分級，顆粒形態一般多為立方體、多棱體、長方體等不規則形態，具體見圖1所示。對于不同的重鈣加工方法，碳酸鈣的微觀形狀不同，例如用擂蒙磨加工的碳酸鈣為紡錘形，用氣流磨加工的碳酸鈣為顆粒形。
普通輕鈣的顆粒較為規則，在充分分散開來的情況下通常呈紡錘形，具體見圖2所示。對于輕質碳酸鈣，合成產品的顆粒形狀是可以人為控制的，可以在碳化過程中加入控制劑來實現控制。目前開發的控制劑有無機酸、無機堿、有機酸（氨基酸）、醇類、糖類、蛋白質和特殊結構的生物聚合物，例如用雙親水嵌段聚合物PEG-b-PMAA在不同濃度和不同PH值下可以分別制成菱形、花生形、長棒形、球形和啞鈴性外觀的碳酸，再如用樹枝形聚合物聚天冬氨酸可以制成螺旋形狀碳酸，又如加入陰離子右旋糖苷可以獲得球形碳酸鈣。
圖1 重鈣SEM照片 圖2 輕鈣SEM照片
8 晶型不同
對于重質碳酸鈣不同產地碳酸鈣具有固定的晶形，破碎和細化不會改變晶型，一般方解石重鈣為六方晶型、大理石重鈣為立方晶型。對于輕質碳酸鈣，在具體碳化制備過程中，三種晶型碳酸鈣以不同比例同時出現，要想得到單一純凈的某一晶型，就要控制成型過程。輕質碳酸鈣的三種晶型為：
8.1 方解石晶型
這是碳酸鈣最穩定的晶型，屬于六方晶系，通常條件下礦物碳酸鈣都以此種晶型存，具有此類晶型的碳酸鈣遮蓋力大、白度高、純度好、耐熱、耐腐蝕、耐化學穩定。
8.2 文石晶型
常溫下是碳酸鈣亞穩定晶型，屬于斜方晶系，具有此類晶型的碳酸鈣長徑比高，常用于聚合物的補強復合材料。
8.3 球霰石晶型
是碳酸鈣最不穩定的晶型，只有在有機質材料中會有少量存在，并在短時間內會自動轉換為方解石晶型或文石晶，具有此類晶型的碳酸鈣對生物的生命和健康起著非常重要的作，研究發現樹枝狀聚合物電介質和某些低分子量聚合物電介質可以促進穩定的球霰石晶型生成。
9 吸油值不同
輕質碳酸鈣的吸油值為60-90 ml/100mg，遠遠大于重質碳酸鈣的40-60 ml/100mg，因此吸收液體性和吸收樹脂性能很，如果配方含有液體助劑，應該選用吸油質小的重質碳酸，吸油值大的無機粉體會導致需要處理的偶聯劑量增加，例如碳酸鈣的吸油值由40ml/100mg增大到50ml/100mg，會導致偶聯劑用量增加30，在PVC配方中如果選擇輕質碳酸，就要多消耗液體助劑和PVC樹，因此從吸油值上考慮應該盡可能選擇吸油值低的重質碳酸鈣。
10 流動性不同
從流動性上考慮，輕質碳酸鈣的微觀結構為紡錘形狀，它的流動性不如重質碳酸鈣好，一般加入量超過25份就嚴重影響流動性，而重質碳酸鈣為顆粒狀，可以促進流動性，加入量不受限，在PVC管材配方中如果碳酸鈣添加超過25份，如果從流動性上考慮最好選用重質碳酸鈣。
11 價格不同
重質碳酸鈣的加工主要是通過機械破碎、研磨的方法實現的；輕質碳酸鈣的生產是通過化學反應沉淀后制取的，后者比前者的工藝復雜的多，要求也相應嚴格的多，因此同等粒徑的重質碳酸鈣要比輕質碳酸鈣便宜30%左右，如果性能允許可選擇重質碳酸鈣更經濟便宜。
12 改性功能不同
重、輕碳酸鈣兩者改性效果區分有細微區別，重質碳酸鈣對拉伸強度較好，而輕質碳酸鈣對沖擊強度和剛性較好，一般用輕鈣的塑料表面更光滑一些，而且密度會低一些；使用重鈣塑料加工流動性要好一些，而且粒徑較小的重鈣填充塑料性能也較好。
結論
正確區分好輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣，在具體配方設計時根據需要性能選取具有重要的意義，這樣就可以按需要選取材料，既可以滿足性能又可以降低成本。
作者：廣東深聯實業有限公司 耿濤，深州市高分子行業協會 王文廣
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