کاربردهای کربنات کلسیم به عنوان پرکننده و تقویت کننده

کربنات کلسیم به عنوان پرکننده و تقویت کننده دارای ویژگی های ایده آل برای بسیاری از کاربردهای پلیمری هستند و مصرف جهانی آن سالانه بیش از ده میلیون تن است. کربناتهای کلسیم طبیعی (زمینی) (GCC) و فرمهای مصنوعی در حال استفاده هستند و می توانند از ذخایر طبیعی فراوان و گسترده حاصل شوند. اشکال طبیعی با طیف وسیعی از اندازه ذرات (۰٫۵ تا بیش از ۱۰۰ میکرومتر) در دسترس هستند، ساخت آنها با هزینه کمتری انجام می شود و بازار عمده ای دارند. آنها به طور گسترده ای در ترموپلاستیک، ترموست و الاستومر استفاده می شوند. فرمهای مصنوعی (رسوبی) مورد استفاده در کاربردهای پلیمر در محدوده اندازه نانو قرار می گیرند (زیر ۱۰۰ نانومتر) و در مواردی که ذرات ریز این نوع سودمند باشند استفاده می شوند. کاربرد اصلی آنها در الاستومرها و PVC است. برای این منظور گاهی اوقات پوششهای سطحی اسیدهای چرب اضافه می شوند و عوامل کوپلینگ ویژه ای نیز در دسترس هستند.

پودرکربنات کلسیم زمینی (طبیعی) یک ماده معدنی حیاتی و کاربردی برای پلاستیک ها است و تردیدی وجود ندارد که همچنان به عنوان یکی از مواد اصلی پرکننده مورد استفاده در صنعت پلیمرها باقی بماند. در حالی که پرکننده های GCC از مدت ها قبل استفاده می شده اند، آنها همچنان به تکامل خود ادامه می دهند. تحولات در سنگ زنی احتمالاً به شکلهای ریزتر و فرصتهای بیشتر منجر می شود. نمونه هایی از تحولات اخیر شامل یک ماده افزودنی معدنی ابتکاری برای الیاف و منسوجات غیر بافته شده از Imerys  معروف به فایبرلینک است. فایبرلینک نرمی را افزایش می دهد، درخشندگی را کاهش می دهد، تیرگی را بهبود می بخشد و استحکام کششی را بالا می برد.

نانوکامپوزیت های کربنات کلسیم

ذرات کربنات کلسیم سالهاست که در صنعت پلاستیک استفاده می شود. هدف اصلی از افزودن ذرات کربنات کلسیم طبیعی (GCC) به عنوان ماده پرکننده پلاستیک ها کاهش هزینه های مواد بود. با توسعه ذرات کربنات کلسیم رسوبی (PCC) که کوچکتر از ذرات GCC  هستند، کاربردهای صنعتی بیشتری برای این نوع نانوکامپوزیت پدید آمده است. بسیاری از مطالعات اخیر نشان داده است که نانوذرات PCC نه تنها برای کاهش هزینه مواد بلکه همچنین برای بهبود خواص مکانیکی پلیمرها می تواند به عنوان پرکننده مورد استفاده قرار گیرد.

کربنات کلسیم و مواد ترکیبی

کربناتهای کلسیم برای صنایع لاستیک سازی در دو طبقه بندی کلی قرار می گیرد. اولین سنگ آهک طبیعی زمین که اندازه ذرات آن از ۵۰۰۰ نانومتر تا حدود ۷۰۰ نانومتر است. مورد دوم کربنات کلسیم رسوبی (PCC) با محصولات ریز و فوق ریز است که دامنه اندازه متوسط ​​را تا ۴۰ نانومتر کاهش می دهد.محصولات طبیعی زمین آنیزومتری کم (شکل خاص بستگی به فرآیند سنگ زنی دارد)، سطح کم و فعالیت سطح پایین نشان می دهند. با این وجود به دلیل هزینه کم در لاستیک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند و در بارهای بسیار زیاد با از دست دادن کمی نرمی ترکیب، کشیدگی یا انعطاف پذیری قابل استفاده هستند.

این همه از پتانسیل چسبندگی پلیمر و ماده پرکننده نسبتاً ضعیف، و همچنین مقاومت در برابر سایش و پارگی ضعیف ناشی می شود. سنگ آهک زمین احتمالاً کم هزینه ترین ماده ترکیبی موجود است و می توان گفت بیش از هر ماده پرکننده دیگری در لاستیک سازی مورد استفاده قرار می گیرد. سنگ آهک در سطح زمین تا حدودی گران تر است، اما یکنواختی بهتر و اندازه ذرات ریزتری دارد.

اندازه بسیار کوچکتر کربناتهای کلسیم رسوبی، افزایش سطح تماس را فراهم می کند. محصولات PCC فوق ریز (<100 نانومتر) می توانند مساحتی معادل رسهای سخت فراهم کنند. دستکاری در شرایط تولید امکان تولید کربناتهای کلسیم رسوبی از دو شکل ذره مجزا را فراهم می کند. کلسیت های رسوبی در اصل ذرات ایزومتریک هستند، در حالی که آراگونیت های رسوبی حالت چسبان دارند. کلسیت رسوبی شکلی است که معمولاً در ترکیب لاستیک استفاده می شود.

کربنات کلسیم پوشش داده شده با استئارات  یا هامان کربنات کلسیم کوتد هم از کربناتهای کلسیم موجود است. پوشش سطح جذب رطوبت را کنترل می کند، پراکندگی را بهبود می بخشد، باعث ایجاد تماس بهتر الاستومر با ذرات می شود و از کربنات کلسیم در برابر تجزیه توسط مواد اسیدی یا محصولات واکنش ترکیبی محافظت می کند. از آنجایی که کربنات کلسیم هیچ واکنشی نسبت به سیلان ها ارائه نمی دهد، آنالوگهای رسهای تیمار شده با سیلان و سیلیس های مصنوعی وجود ندارد. با این حال، یک PCC فوق ریز با پوشش سطح واکنش پذیر از پلیمر پلی بوتادین کربوکسیله شیمیایی پیوند یافته وجود دارد. با استفاده از آتشفشان سازی گوگرد یا پراکسید، اتصال متقابل بین الاستومر و پوشش پلی بوتادین کربوکسیله شده رخ می دهد. این بالاترین سطح تقویت را در بین محصولات PCC فراهم می کند.

کاربرد کربنات کلسیم در ساخت PVC

کربنات کلسیم (که به آن گچ یا سنگ آهک نیز گفته می شود) از معادن سنگ کلسیت استخراج می شود، متداول ترین ماده پر کننده برای PVC است. معمولاً با استفاده از اسید استئاریک سطح پوشش داده می شود و یک لایه استئارات کلسیم روی سطح پرکننده تولید می شود. این منجر به بهبود پردازش و پراکندگی (خواص مکانیکی) و بهبود مقاومت در برابر رطوبت می شود و باعث ایجاد خواص الکتریکی بهتر می شود.همچنین از کربناتهای کلسیم رسوبی (PCC) در PVC استفاده می شود. این ها دارای اندازه ذرات ریز هستند که برای استفاده در مناطق با کارایی بالا مناسب هستند.

 در این صنعت اندازه ذرات مهم است و برای برخی از کاربردها که به هوازدگی و عملکرد مناسب نیاز دارند (مثل پنجره)، از نسخه  پودر کربنات کلسیم طبیعی فوق العاده خرد شده، سفیدی زیاد و رنگ طبیعی استفاده می شود. کربناتهای کلسیم فوق ریز پوشش داده شده و رسوب شده نیز تأثیر مثبتی بر خصوصیات ضربه در فرمولاسیونهای اصلاح شده دارند. سایش ساینده کربنات کلسیم، در تجهیزات پردازش مذاب، قابل توجه نیست اما با افزایش سطح افزایش می یابد.نانو ذرات کربنات کلسیم به صورت تجاری در دسترس هستند و ادعا می شود که روشی مقرون به صرفه برای افزایش مقاومت در برابر ضربه است. استفاده از آنها در پی وی سی اصلاح شده در اثر خواص مکانیکی بهبود یافته است.

کربنات کلسیم به عنوان پرکننده و تقویت کننده همچنین در کاربردهای PVC-P که محدودیت اندازه ذرات چندان ضروری نیست، استفاده گسترده ای دارند. همچنین می توان سطح اضافی بالاتر را نیز در نظر گرفت. آنها برای تولید سیم و کابل در مواردی که در ترکیب با سایر مواد افزودنی به کاهش تولید HCl در شرایط آتش سوزی کمک می کنند، کاربرد زیادی دارند. پلاستیزولهای پی وی سی به دلایل هزینه دارای بار پرکننده بالایی هستند اما نیاز به حفظ ویسکوزیته و رئولوژی مناسب برای روش پردازش مورد استفاده دارند. درجه های خاصی از کربنات کلسیم برای این کاربردها موجود است.

کربنات کلسیم به عنوان پرکننده و تقویت کننده

کربنات کلسیم یکی از فراوانترین مواد معدنی پوسته زمین است. به صورت سنگ آهک و گچ وجود دارد، از فسیل ها و سنگ مرمر تشکیل شده اند. این سنگ های طبیعی بیشتر (> 98٪) از کربنات کلسیم (CaCO3)، با مقادیر کمی از کربنات منیزیم، اکسید آهن و سیلیکاتهای آلومینیوم تشکیل می شوند. دولومیت ترکیبی از کلسیم و منیزیم است که در اثر ترکیب این دو ایجاد می شود. همه این مواد از مواد معدنی نسبتاً نرم (سختی Mohs 3)، به رنگ سفید ، با وزن مخصوص ۷۱/۲ در ۲۳ درجه سانتیگراد (۷۳ درجه سانتیگراد) هستند.

کربنات کلسیم پرکاربردترین ماده پر کننده برای پلاستیک است. ارزان است و می توان از آن در بارهای بالا استفاده کرد. به طور کلی به عنوان اکستندر استفاده می شود. با این حال، می تواند سختی و مقاومت در برابر ضربه را به ویژه با درجه های ذرات ریز بهبود بخشد. مدول خمشی هوموپلیمر پلی پروپیلن پر از کربنات کلسیم ۴۰٪ حدود ۳۰۰۰ مگاپاسکال (۴۰۰۰۰۰ psi) است که در میانه راه بین رزینهای پر نشده و پر از تالک است. کربنات کلسیم روشنایی بالا و براقیت بالا را ایجاد می کند. محصولات مبتنی بر سنگ آهک و سنگ مرمر معمولاً در موارد مهم استفاده می شوند. مقدار گرانتر رنگدانه دی اکسید تیتانیوم در یک فرمولاسیون با جایگزینی کربنات کلسیم تا ۵۰٪، با سفیدی معادل، کاهش می یابد. البته از معایب آن می توان به کاهش مقاومت در برابر کشش و مقاومت در برابر فشار، افزایش بسیار کشیدگی و مقاومت کم در برابر اسیدهای آلی اشاره کرد.

کربناتهای کلسیم در گریدهای مختلف موجود است: فرآوری شده خشک، مرطوب یا آبی، رسوبی و تصفیه شده. کربنات کلسیم رسوبی یک فرم مصنوعی است که توسط کربن سازی تولید می شود و در اندازه ذرات بسیار ریز (۰٫۷ تا۲٫۰ میکرومتر) موجود است. گریدهای تصفیه شده سطح برای بهبود پراکندگی، افزایش مقاومت به اکسیداسیون رزین پر شده و کاهش سایش در ماشین آلات فرآوری، با مواد چربی دوست مانند استئاریک اسید یا استئارات کلسیم پوشانده شده اند و به کربنات کلسیم کوتد معروفند. در مطالعات تجربی، کربنات کلسیم پوشش داده شده  یا کوتد منجر به مقادیر بالاتر برای مقاومت در برابر ضربه و افزایش طول در شکستگی و افزایش سفیدی در مقایسه با نمرات بدون پوشش داده شده است. برای بهبود کیفیت آهن و سیلیس را از ترکیب طبیعی سنگ کربنات کلسیم معدنی حذف می کنند تا تخریب رزین به حداقل برسد، و برای این کار ماده معدنی با اندازه ذرات میانی ۱ تا ۱۰ میکرومتر ریز خرد می شود. بزرگترین اندازه ذرات (> 12μm) با نمرات فرآوری شده خشک بدست می آید. ذرات درشت در درجه های مرطوب با اندازه ذرات متوسط> 3 میکرومتر حذف می شوند.