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碳酸钙特性和塑料对碳酸钙的基本要求

       碳酸钙的特性      碳酸钙在塑料中大量使用，得到塑料行业高度重视不是偶然的，相比起其它非金属矿物粉体材料，碳酸钙具有明显的优势。      1）价格便宜 无论是重钙还是轻钙在各种非矿粉体材料是价格最低的，也就是说任何一种非矿粉体材料仅仅试图替代碳酸钙作为塑料填充料使用，而不是突显这种粉体材料本身的特点，那是没有意义的。      2）色泽好，易着色 且可以做浅色塑料制品。不足之处是着色的塑料制品色泽不够鲜艳，在多数情况下还是可以接受的。

       3）硬度低 其莫氏硬度为3，远远低于制造加工机械设备与模具所用钢材（如氮化钢、高速钢）的硬度，因此填充塑料对所接触的设备部件（螺杆、螺筒等）和模具的磨损较轻。       4）热稳定性及化学稳定性良好       在碳酸钙的热分解温度在800℃以上，在所有的塑料加工温度下（300℃以下）都不会发生热分解      碳酸钙是强碱弱酸盐，除遇酸性介质外，其化学稳定性良好。

      5）易干燥，无结晶水，吸附的水分通过加热容易除去。

      6）无毒、无刺激性、无味，特别是我国的方解石、大理石、石灰石资源丰富，可选择余地大，绝大多数资源品质优良，特别是重金属含量极低，达到国家卫生级要求。

      碳酸钙对填充塑料性能的影响      1）对密度的影响      重钙和轻钙在真实密度上区别不明显，前者为2.6~2.9g/cm3，后者为2.4~2.6 g/cm3，它们的主要区别主是要堆积密度差别显著，工业上用沉降体积来区分重钙和轻钙，即在无水乙醇中2.5mL/g以上为轻钙，而重钙在1.2~1.9mL/g。

     堆积密度不同主要由于碳酸钙粉体颗粒的晶形不同，轻钙粒子为纺锤形（枣核形），具有一定的长径比，而重钙多呈破碎后的块状。这种颗粒形状的差异导致在基体塑料中，碳酸钙粒子是以大大小小凝聚体形式像海岛一样存在的，它们所占据的空间大小也不相同。从宏观上看，填料的添加量相同时，不同的填料，重钙或是轻钙，甚至目数不同的重钙，都会造成塑料制品长度、面积或制品个数的不同。表3列出轻钙或不同目数的重钙填充PVC芯层发泡管材的密度变化情况。

对塑料制品成型尺寸变化率的影响

     塑料制品在成型后的冷却过程中会产生收缩，无论是挤出、压延还是注塑、吹塑成型都会存在这种现象，尤其是注塑成型制品如果对制品尺寸变化的规律掌握不好，就会出现翘曲、塌陷等现象，影响制品的外观。例如，ABS树脂的成型收缩率仅为0.5%左右，依此设计制造的模具用于PP材料的注塑成型，由于纯PP材料的成型收缩率为1.5%~2.0%，大大高于ABS树脂，因此同样模具注塑出来的制品，由于材料不同，其外型有可能变化很大。碳酸钙和其它非矿粉体材料加入会使填充塑料的成型尺寸变化率（收缩率）大大小于纯基体塑料。例如，在聚丙烯塑料中加入30%~40%的碳酸钙或滑石粉，其注塑成型尺寸变化率可从纯PP的2.0%下降至1.0%以下。这意味着如果用注塑ABS材料的模具换成注塑纯PP材料，需要重新设计和制造模具，而如果用碳酸钙40%的填充PP材料，仍然还可以使用原来的模具。对塑料用碳酸钙的基本要求

     了解了碳酸钙本身的特性以及碳酸钙对填充塑料性能的影响之后，提出对塑料用碳酸钙的基本要求就比较简单了。      1）碳酸钙含量要高，硅、铁等元素的化合物要尽量低，有害重金属元素含量更要严格要求。白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁，按理说应当也可以用做塑料的填料。但从实际使用的效果看，白云石粉加入塑料中（聚乙烯、聚丙烯）会使整个填充物呈现灰色。到目前为止，还未得到合理的解释。     硅化合物的存在，有可能使聚氯乙烯发生轻度交联或引发热降解，如造纸碱回收排出的白泥中，碳酸钙含量达95%以上，但有的白泥中酸不溶物含量高，会使聚氯乙烯热稳定性减弱，而同样的白泥不会影响聚乙烯或聚丙烯的热稳定性。在重钙中硅化合物的存在会导致颗粒硬度增大，含硅高的方解石粉制作的填充母料用于聚丙烯扁丝生产时，分切刀片易磨损就是证明。

     铁含量高会影响重钙粉的色泽，易发黄，特别是在表面处理时遇到硬脂酸等酸性物质时，在高温下极易变黄。      在碳酸钙用于接触食品的塑料制时，如一次性餐具、包装袋等，要严格筛选所用的碳酸钙，以确保重金属元素含量符合卫生要求。       2）白度要尽可能高     无论重钙还是轻钙，其白度主要取决于资源。对于塑料材料来说，白度高低并不影响材料的力学性能和加工性能，但白度高给人的感觉好，同样的性能白度高的更具竞争优势。       3）吸油值越低越好     100g粉体材料所能吸收的邻苯二甲酸丁二醇酯（DBP）的最大量称之为该材料的吸油值。

     对于某些塑料制品，如软质聚氯乙烯、人造革、电缆料等，需使用增塑剂，碳酸钙吸油值越高，越易将增塑剂吸附到填料中，使其失去增塑树脂的作用，从而为达到一定的柔软度需加大增塑剂用量，造成成本上升。通过对碳酸钙表面处理，将碳酸钙颗粒表面包覆，可以降低其吸油值。例如，经偶联剂处理的轻质碳酸钙其吸油值可从92.91g/100g降至49.33g/100g。      4）细度要适当，并非越细越好，粒径分布也要因需而定     对填充塑料来说，所用的填料粒径越小，同样填充比例时，其填充塑料材料的力学性能越好，但其前提是粉体颗粒在塑料基体中均匀分散，即以单个颗粒的形式像海岛一样分散在基体塑料的汪洋大海中。如果是凝聚体，甚至是大的团粒，则不仅不能带来好的影响，反而会成为材料中最薄弱的区域，比实体大颗粒的作用还要差。鉴于我国目前对粉体材料表面处理及在塑料基体中的分散技术还不十分理想，塑料行业中使用的加工机械设备还不足以将过细的粉体颗粒完全分散开来，因此非矿粉体加工企业不应追求越细越好。这也是纳米碳酸钙未能在塑料行业中推广使用的重要原因。      我们使用的重钙按粗细大致分为三大类，400目、800目和1250目，其实际使用的比例大约为60:30:10，也就是说，作为重钙产品，塑料行业用量最大的是400目的，当然现在用量增长最快的1250目的。表6 碳酸钙粒径大小对填充HDPE薄膜力学性能的影响

 力学性能CaCO3粒径  拉伸强度（纵/横）/MPa      断裂伸长率（纵/横）/%

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电缆屏蔽有非金属屏蔽和金属屏蔽两种形式。采用哪一种屏蔽形式取决于电缆的种类，如电力电缆主要是为了屏蔽和均化电场，承载短路电流，而通讯电缆则要屏蔽电磁场，以消除线芯间和外部对电缆的干扰。电力电缆的屏蔽同时具有非金属屏蔽和金属屏蔽形式，具体取决于电缆的电压等级和短路电流的大小等，对于金属屏蔽部分还取决于以及金属材料的导电性、热性能、结构和加工方式等，通讯电缆则多为金属屏蔽。这里就电缆的屏蔽作用、结构和材料进行了简单介绍。2．屏蔽的作用2.1 均化电场实心的导体相对表面比较光滑，电场的分布比较均匀。绞合的导电线芯由于是有多根单线组成，线芯表面各点电场分布不均匀，单线半径的大小和其表面场强的大小成反比关系，这就产生多导丝效应。导体因加工产生的毛刺、粉屑，造成尖端放电，也需要导体屏蔽。为了使导体表面的电场分布相对比较均匀，只有绕包带屏蔽和挤出屏蔽层，才能均化电场消除这些效应导电线芯电场分垂直和相切两个方向的分量。如没有半导电层，对于绕包类型的绝缘来说易产生移滑放电；另外切向方向的场强使绝缘的耐压降低10～15倍，降低了绝缘强度和绝缘的效果。多芯电缆填充处有电场。由于填充处绝缘材料的本身耐电强度较低，因此使电缆的整体绝缘水平下降。半导电材料主要是由部分碳黑组成，碳黑除有半导电的作用外也可以吸附气体杂质，使相应面的绝缘的长期电场强度降低，避免电缆绝缘外表面发生游离，提高电缆的使用寿命。为了避免电场过于集中，常采用半导电层结构改变电场的方向，避免绕包绝缘产生移滑放电，使多芯电缆的填充处于无电场状态；半导电层中的炭黑可以吸附气体杂质。屏蔽气泡不受电场作用，对于绞合的导体，由于是由多根单线胶合而成，表面单线突出的电场强度和凹进部分相比可提高30%。2.2  减少干扰我们都知道电场和磁场是交互变化而存在的统一体，变化的电场产生变化的磁场影响周围媒质，从而产生对其他载流回路产生干扰，电磁场的作用是电场和磁场产生干扰作用的总和。在电场和磁场的作用下，电流对回路之间的不平衡而引起的电干扰和磁干扰。干扰的产生可分为电感、电容、电阻在回路产生相应的感抗、容抗和阻抗，而产生相应的损耗。

通信电缆的频率较高，比较容易产生干扰，电力电缆的频率较低，而比较容易产生损耗。

采用合理的屏蔽结构和有效的接地方式，就能够较少干和损耗。2.3  热屏蔽由于导体的导电性能比较好，对流过其本身的电流有较小的电阻，因此导电率较高。绝缘体的绝缘性能较高，对电流又较大的电阻，电流几乎不可能穿透绝缘体，因此绝缘电阻率较高。导电性能高的材料也相对有较高的导热性能，绝缘性能较高的材料必然有较高的热阻，导电性能的不同对热导的性能也有所不同，半导电材料的导电性能和导热性能介于导体和绝缘体之间。如果电力电缆发生短路，导体流过大的电流使其温度突然升高，由于采用了内半导电屏蔽层，就防止了过高的温度直接作用到绝缘层上，不致因热冲击而损伤绝缘层，在这种情况下，内屏蔽层就起到了热屏蔽作用，也可以称为热缓冲层。在绝缘或半导电屏蔽表面上绕包或挤出一层金属屏蔽，不但使圆形导体电缆填充处无电场，而且因为金属屏蔽散热效果好，在意外短路的情况