塑料用重质碳酸钙产品精细化与立式磨工艺研究

　　塑料用重质碳酸钙产品精细化与立式磨工艺研究
　　张志宇，秦广超，迟源，李金荣，张新江，邓小林
　　（合肥水泥研究设计院，安徽合肥230051）
　　【摘　要】本文介绍了重质碳酸钙在塑料行业的应用发展，分析了塑料用重质碳酸钙产品精细化生产过程中的原料选择、加工设备和生产工艺等主要因素，在原料满足要求前提下，加工设备与工艺的正确选择至关重要。结果表明，立式磨等节能装备及工艺促进了塑料用重质碳酸钙产品精细化开发。
　　【关键词】重质碳酸钙；精细化加工；立式磨；节能；塑料
　　【中图分类号】P619.223;TD921.4【文献标识码】A【文章编号】1007-9386(2010)05-0045-03
　　2008年全国重质碳酸钙(以下简称重钙)总产量约1 200万t，其中塑料行业使用量约480万t。重钙价格低廉、白度高、化学稳定性及热稳定性好，而成为塑料工业中的**填料，广泛应用于塑料薄膜、型材、管材、塑编拉丝和人造革等塑料工业生产中。
　　重钙产品精细化，首先必需保证加工设备与工艺满足重钙产品精细化加工的要求，其次要根据塑料行业对重钙产品的白度、细度、杂质含量、粒度分布、吸油值、颗粒形态、晶型构造、活性化等理化指标要求选择原料，在各自适应的塑料行业中实现重钙产品的价值和价格优势，提高产品附加值。
　　本文首先从重钙在塑料行业的应用及要求入手，探析塑料用重钙产品精细化开发的要求和方向；其次通过立式磨生产重钙实践，论证了立式磨装备及其工艺技术符合重钙产品精细化开发，并且实现了重钙等非金属矿粉体加工的高效节能。
　　1·塑料用重钙产品精细化开发
　　1.1塑料用重钙产品要求
　　(1)白度。
　　白度的高低主要影响填充塑料制品的色泽、外观，并不影响材料的力学性能和加工性能。白度越高，对填充塑料着色的影响越小；性能相同条件下，白度高更具有竞争优势。塑料用重钙原则上要求白度越高越好，如普通塑料用重钙的白度要求＞92%，**塑料填充母粒用重钙的白度要求达到95%。
　　(2)杂质含量。   杂质含量的高低不仅影响填充塑料制品的色泽、外观，还对材料的力学性能和加工性能产生影响。塑料行业用重钙原则上要求杂质含量越低越好，碳酸钙含量越高越好，影响塑料的主要杂质指标有：Fe2O3、MgO、SiO2等。
　　Fe2O3含量高会影响重钙粉的色泽，易发黄，特别是在进行表面处理时与硬脂酸等酸性物质结合，在高温条件下极易发黄，同时铁离子可加速塑料老化。MgO含量高的重钙粉会发灰，如含白云石的重钙粉加入聚**和聚**类塑料中会使整个填充物呈现灰色，因为白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁。SiO2的存在，可能使聚***发生轻度交联或引发热降解，降低其热稳定性；再者重钙粉中硅含量高会导致颗粒硬度增大，对塑料加工机械的磨损影响较大，例如用含硅高的重钙粉制作的填充母料用于聚**扁丝生产时，分切刀片易磨损。
　　(3)粒度及其分布。
　　粒度及其分布是衡量重钙产品档次的一个重要指标，主要影响材料的力学性能。理论上来说，塑料用重钙粉粒径越细填充到塑料中可使制品强度大大提高，但实际应用并非如此。重钙粒径越细、比表面积越大，表面能就越大，原生粒子极易团聚以多聚集态(凝集体)形式加入树脂中，分散不均匀，难以形成稳定的界面，使产品性能下降。因此，塑料用重钙要求细度适当，并非越细越好，目前常用的重钙粉粒度普遍为400～1250目，400～800目约占65%的市场份额、800～1 250目约占30%、1 250目以上约占5%～10%。
　　对填充塑料来说，在同样填充比例条件下，所用的填料粒径越细，其填充塑料的力学性能越好，但是，其前提是重钙颗粒在塑料基体中需均匀分散。塑料用重钙的粒度分布要求不一，如注塑制品要求填充材料有良好的流动性，细粉含量少、粗粉含量高的重钙有助于填充材料的加工流动性，前提是保证产品d100指标的条件下，平均粒径大些为好。
　　粒度及其分布的指标，不仅要求其d97、d100指标，还要求其产品的2μm含量、平均粒径d50和比表面积等，因为这些指标间接反映了重钙粉的分散性好坏和吸油值高低。
　　(4)颗粒形态与晶型的影响。
　　重钙的颗粒形态对塑料的填充与改性影响较大，如纤维状、薄片状对聚***复合材料机械强度有利，但对成型加工性能不利；而球形填料与之相反，可提高材料成型加工性能，但降低了材料机械强度。晶型构造的影响已经在行业内开始受到关注，一般来说，细粒状他形、半自形变晶，等粒状或块状结构的天然方解石生产的重钙粉更受塑料行业青睐。
　　(5)吸油值影响。
　　塑料用重钙原则上要求其吸油值越低越好，因为吸油值高会把增塑剂吸收到填料中，使其失去增塑树脂的作用，为了使材料达到一定的柔韧度又必需加大增塑剂用量，造成成本升高。国内某企业的塑料用重钙，其吸油值要求如表1所示。

　　(6)水分和低分子物质的影响。
　　水分和低分子物质对任何塑料制品都是一大忌，因为水分和低分子物质使制品表面产生缺陷和皱纹，严重时会使制品内呈蜂窝状或物料输送产生架桥断料，不仅影响制品的力学性能，还影响制品外观。
　　1.2塑料用重钙的原料选择
　　由上述指标要求可见，重钙产品的精细化开发也带来了其原料的合理开发与选择。重钙的白度、杂质含量和晶型结构主要取决于原矿资源的品位，同时也与重钙加工设备及其工艺有一定关系。重钙的颗粒形态、粒度及其分布主要与加工设备与工艺技术条件控制有关。因此，塑料用重钙原料的选择，需结合重钙加工设备与工艺条件，对原矿的晶型构造、白度及CaCO3、MgO、Fe2O3、Al2O3、**不溶物含量等指标进行考察，目的是使原料物尽其用，生产符合市场需求的重钙产品，从而达到合理利用原矿资源、提高原矿和重钙产品的附加值的目的[2-3]。
　　2·立式磨与重钙产品精细化
　　目前超细重钙实现产业规模化和产品精细化生产的主流工艺有两种：①立式磨+二次或三次分级；②球磨机+一次或二次分级。而塑料用重钙的加工尤以立式磨+二次、三次分级工艺居多，也是目前比较成熟的重钙生产工艺。该工艺所生产的重钙产品不仅深受塑料和造纸等下游应用企业的欢迎，更有利于塑料行业功能化的发展。
　　2.1立式磨工艺与产品结构精细化
　　下面以国内某重钙加工企业的立式磨工艺为例进行具体说明，其工艺流程设计如图1所示。

　　由图1可见，该工艺属于典型的立磨+三次分级工艺，其中方案一和方案二的选择，主要是根据塑料行业对重钙产品的需求不同，在实际生产过程中确定生产方案。方案一和方案二的工艺及产品结构分别如图2、图3所示。

　　由图2可见，方案一的工艺和产品设计思路是：首先立式磨磨出325～800目的普通重钙粉，普通粉经1#分级机分出800～1 250目超细粉，超细粉再经2#分级机分出1 500～2 500目超微细粉，分级下品1通常作为普通塑料填料，分级下品2的应用需根据其中的细粉含量情况，确定是用做普通塑料填料还是造纸湿法磨原料。
　　由图3可见，方案二的工艺和产品设计思路是：首先立式磨磨出325～800目的普通重钙粉，普通粉经1#分级机分出1 250～2 500目超细微粉。下品1的处理，在实际生产中，更多的是根据下游客户对下品1的细粉要求确定是否进行再次分级，如需再次分级，更多的是将下品1经2#分级机分出800～1 250目超细粉，而分级后的下品2更多的是用做造纸湿法磨原料。
　　2.2产品质量及其应用分析
　　下面列举该公司立式磨使用同一方解石原料生产的两种重钙产品粒度分布、理化指标及其产品电耗情况，结果如表2所示(注：①粒度数据依据该企业使用的丹东百特BT-9300H激光粒度分析仪的检测结果；②方解石原料的Fe2O3含量为0.048%，原料的自然白度为93.0%)。


　　由表2可见，其1000-1和800-2样品具有粒度分布窄、顶点切割好和细粉含量易于控制合理等特点。据下游使用客户反映，该重钙产品的白度、杂质含量等理化指标均符合塑料用重钙产品的要求。在d97、d100指标近似的条件下，立式磨工艺出品的重钙粉与球磨机工艺出品的重钙粉相比，从理化特征来看，具有粒度分布窄、细粉含量适中、颗粒形态扁平的特点；从应用的角度来说，立式磨出品的重钙粉具有产品流动性好、分散性好、吸油值低优势。该粉特别适宜于提高塑料材料的机械强度和造纸行业涂布需求。目前立式磨磨出的重钙粉在塑料行业的应用分为：塑料管道用重钙通常为300～500目；PVC电缆料325～600目；人造革用重钙通常为400～600目；塑编用重钙通常为600～1250目；**塑胶母料更多是要求1 250～2 000目(其中又根据细粉含量不同分为中、**)。
　　从一定意义上来说，立式磨及其工艺适应并促进了塑料用重钙产品精细化开发。
　　2.3立式磨的高效节能
　　从塑料用重钙产品加工来看，在满足塑料市场对产品性能及其精细化发展要求的条件下，就看加工设备是否节能，节能就意味着经济效益的提高。由表2中立式磨工艺的产品能耗可见，立式磨工艺生产的800目产品比球磨机工艺节省约25%的电耗。以年产5.0万t重钙生产线为例，按每度电价0.55元计算，每年节省电费约70万元。
　　2.4立式磨工艺应用情况
　　该工艺在我国台湾省、东南沿海及内地已经广泛推广应用，而这些地区大部分雷蒙磨等使用厂家为了适应重钙产品精细化发展，也纷纷效仿上二次、三次分级改造或者直接采用立式磨加二次、三次分级生产技术。马来西亚、印尼和日本等**早在20世纪80年代就普遍采用立式磨及其类似工艺，而且立式磨在这些地区的应用遍布重钙、白云石、叶蜡石和重晶石等非金属矿。
　　据下游使用行业反映，立式磨所生产的产品粒度具有分布窄、分散性能好、流动性好、白度高的优点，而且单机生产能力大、单位产品能耗低。根据目前我国塑料用重钙产业发展的实际情况及非金属矿节能减排要求，推广应用立式磨加二次、三次分级生产技术，是较好解决目前重钙及非金属矿行业高能耗和技术设备落后的有效办法。
　　3·结语
　　在我国塑料工业中已显现出用重质碳酸钙取代轻质碳酸钙的趋势。然而，目前在我国塑料工业生产中所使用的重质碳酸钙与轻质碳酸钙数量之比约为5∶1，远未达到国际上的(14～18)∶1的比例。为此，需加快塑料用重钙产品精细化发展，这不仅要求加工企业对原矿品质的慎重选择，更要注重加工设备与工艺的选择。立式磨装备与配套工艺选型为其产品精细化发展和产品附加值的提高，奠定了坚实基础。
　　立式磨装备及其工艺生产的重钙产品不仅可以满足塑料市场对产品性能的要求，还促进了塑料用重钙产品精细化和规模化发展，适应市场对中高端精细化产品的需求。
　　立式磨装备及技术是**大力倡导的节能降耗新技术，作为近年来干法超细粉碎技术的主要进展之一，符合重钙等非金属矿加工要求单位产品能耗低、产品白度高的原则。
　　【参考文献】
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