【摘要】 本文从微观分子相互作用的角度，探讨了胶质碳酸钙的填充改性补强机理，并进行了分析验证，提出了保证和改善胶质碳酸钙填充补强效果的原则。
【关键词】 碳酸钙 微观分子 补强机理
PVC化学建材生产中一般加入碳酸钙填充改性剂，其目的是为了降低成本，同时也改进某些塑料性能。据报道，某些企业在生产硬质PVC异型材、管材、管件装饰件时，选用碳酸钙型号不对或单纯为降低成本过量加入碳酸钙，造成建材机械强度明显下降，导致了严重的建筑事故，必须引起重视。有必要根据碳酸钙的性能特点，对其填充改性机理进行深入研究，找出既可降低成本又能改善材料性能的应用方案。本文基于以上观点结合实际应用情况做了研讨。
一、碳酸钙分类及性能
碳酸钙是目前PVC化学建材中最常用无机粉状填料，为无味、无嗅的白色粉末。它可分为轻质碳酸钙、重质碳酸钙、胶质碳酸钙三大类。
1.轻质碳酸钙。轻质碳酸钙是用化学方法制造的，学名叫沉降性碳酸钙。一般用碳化法生产，即首先用高纯度致密质石灰石和煤按一定比例混配，经高温锻烧产生二氧化碳气体和生石灰，生石灰经过精制再添加水制成石灰乳，然后再通入精制的二氧化碳气体，即生成沉降性碳酸钙。
工艺过程如下：
其反应式如下：
轻质碳酸钙粒径一般在10微米以下，其中3微米以下约占80%，比重为2.4-2.7，粒子呈梭子形或柱状结晶，轻质CaCO3是无味、无嗅的白色粉末，难溶于水和醇，主含量大于98.2%。
3.胶质碳酸钙。胶质碳酸钙是一种白色软质粉末，为六方晶系结晶，与轻质碳酸钙不同之处，是其粒子表面吸附一层有机物，例如：脂肪酸皂等，比重小于轻质碳酸钙，为2.05-2.30，水分在0.5%以下。其生产工艺路线与轻钙相同，只是加一道用硬脂酸等进行表面处理的工序。
碳酸钙粒度分级为：
微粒碳酸钙 粒径为大于5微米
微粉碳酸钙 粒径为1-5微米
微细碳酸钙 粒径为0.1-1微米
超细碳酸钙 粒径为0.02-0.1微米
超微细碳酸钙 粒径为0.02微米
据文献：当粒径为0.1微米以下时，具有补强作用：当粒径为0.005-0.02微米时，具有较好补强作用。
二、碳酸钙的填充改性补强机理
基于大量的试验和文献，可以对碳酸钙在化学建材中的填充改性补强原理进行以下设想：化学建材可以视为无数多个有机大分子的杂乱结合体，结合体中存在无数个大小不一的“空穴”。碳酸钙粒子如果能够和有机大分子良好的结合起来，必然就能够较好的起到填充改性补强作用。这样一来，碳酸钙的填充改性补强作用就决定于：碳酸钙的“填充充分性”及“与有机分子结合的强度”，以上两点与碳酸钙的颗粒形状、颗粒直径、用量、活化度及活化剂种类密切相关，对此分别进行验证分析：
1.碳酸钙填料的形状对填充改性的影响较大。一般来说，纤维状、薄片状填料对有机材料的机械强度有利，但对成型加工性能不利；园球状填料与此相反，可提高材料成型加工性能，但降低材料的机械强度。方解石碳酸钙单结晶呈菱形体，胶质碳酸钙呈立方体，重质碳酸钙呈多角不定形体。另外三种CaCO3粒径也不一样，胶质碳酸钙粒径一股在0.1微米以下，重质和轻质CaCO3的粒径一般在1微米以上，所以采用不同CaCO3对PVC材料体系性能影响不同。
2.碳酸钙粒径的影响：一般来说，在一定范围内填料的粒径越小，表面积越大，聚合物大分子对填充剂的吸附作用越大（因接触面积大）。在相同填充剂用量下，粒子越细，活化能越高，树脂与填充剂介面结合得越牢，粒子越细，对制品的刚性、冲击性、拉伸强度、尺寸稳定性和外观等改进越大。如碳酸钙，当其粒径D=2-10€%em时，其作用为增量剂；当D<0.1€%em时，则为增强剂。如用325目，2500目碳酸钙填充硬PVC时，后者比前者强度提高30%。
3.碳酸钙用量的影响：填充剂的加入对制品性能有较大影响。大量加入填充剂会使加工性和制品表面状况下降，也影响制品性能。从图1、图2可看出碳酸钙用量对PVC填充体系性能影响。
4.碳酸钙活化剂的影响：PVC塑料的比重为1.4，碳酸钙的比重为2.2-2.8，这种密度的差异妨碍填料树脂中的均匀分散，因此给混炼成型加工带来困难。为了提高填料与树脂的亲和能力，需要对填料进行活性处理，偶联剂是一类有机物质，它们通过化学反应固定于无机物（填充剂）表面，形成覆盖层，用它处理过的无机物具有亲有机物的性质，从而增强两种材料之间的结合。常用的偶联剂有硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂，对于碳酸钙来说，应用钛酸酯偶联剂效果好。钛酸酯偶联剂从结构上可分为：单烷氧基焦磷酯基钛酸酯，螯合钛酸酯，配位体型钛酸酯。目前市场上偶联剂品种很多，应慎重试验选用最适合偶联剂，才能达到理想效果。
5.碳酸钙加入对有机建材性能的影响还有：
拉伸强度：一般添加填料后，材料的脆性增加，冲击强度下降。
弯曲强度：一般随填料的增加，材料的弯曲强度下降。
刚性的硬度：碳酸钙的加入显著提高材料的刚性和硬度。
断裂伸长率：一般随填料量增加，断裂伸长率下降。
热性能：PVC热膨胀系数减小，因此成型收缩率降低，提高制品尺寸精度。
PVC材料导热系数提高，有利于热塑性塑料加热熔融及冷却固化。
产生消光现象，影响制品的光泽度。
三、结论
由以上分析和试验结论可见碳酸钙的填充改性应用原则为以下五项：
1.用量合理：应以能够合理填充全部“空穴”为原则，一般以主料：碳酸钙=100：5为宜。
2.颗粒直径和形状合理：应以能够恰好填充“空穴”为原则，一般以0.005-0.1微米为佳。
3.活化剂选择适宜，活化度高：应以能够和有机大分子良好的结合强度为原则，一般以钛酸酯类偶联剂效果好。
4.颗粒均匀，不得有影响制品的性能和外观的大颗粒。
5.分散性能、吸油量小、对聚合物及其它助剂呈惰性、对加工性能无严重损害、对设备无严重磨损。
同时，在选择和使用碳酸钙过程中还需注意的问题有：
1.活化剂选择应适宜，应对于不同的主料通过试验正确选用处理碳酸钙的偶联剂。
2.混合工艺、挤出工艺、设备选型、配方调整均对碳酸钙填充体系生产有影响，应不断试验确定合适的碳酸钙填充体系。
3.填充碳酸钙后，聚合物粘度加大，流动性降低，成型加工性能下降，加工困难，经偶联剂处理过的碳酸钙成型加工性能好一些，随CaCo3用量加大，聚合物粘度加大，成型加工性能更加困难，所以填充碳酸钙不能无限量加入。
4.由于碳酸钙硬度较大，易磨损加工机械，尤其是重质碳酸钙时挤出机机筒，螺杆磨损更大，当填充量加大时，为减少螺杆磨损，可在配方中适当加大一些外润滑剂如石蜡等。
5.选用混炼效果好的双螺杆挤出机，对改善填充改性效果有好处，双螺杆挤出机比单螺杆挤出机的滞留时间短，所以受热过程短，能够强制输送，所以当高填充时，用双螺杆挤出机较为理想。
参考文献
[1] 朱元庆.聚氯乙烯管材制造和应用[M].北京:化学工业出版社
[2] 李杰，郑德.塑料助剂与配方设计技术（第二版）［M］.北京:化学工业出版社