碳酸钙（轻质、重钙）在橡胶制品中使用简述
2024/04/23
碳酸钙（CaCO3）是一种重要的、用途广泛的无机盐，根据加工方式的不同通常分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。
一、相关概念
碳酸钙是一种无机化合物，白色粉末或无色结晶，无气味、无味，俗称灰石、石灰石、石粉、大理石、方解石，是一种化合物，呈碱性，基本上不溶于水，溶于酸，存在于霰石、方解石、白垩、石灰岩、大理石、石灰华等岩石内，是重要的建筑材料，工业上用途甚广。
重钙指重质碳酸钙，又称研磨碳酸钙，简称重钙，是以天然方解石、石灰石、白云石、白垩、贝壳等为原料通过物理方法加工制得。
轻钙指轻质碳酸钙，又称沉淀碳酸钙，简称轻钙，是用化学方法加工制得。
目数是指每平方英寸筛网上的空眼数目，50目就是指每平方英寸上的孔眼是50个，500目就是500个，目数越高，孔眼越多。
二、碳酸钙在橡胶中的应用
轻质碳酸钙被广泛填充在天然、丁苯、顺丁、丁腈、乙丙等橡胶之中，碳酸钙的添加对提高改善橡胶制品某些性能以扩大其应用范围有一定作用，在橡胶的加工中碳酸钙可以减少橡胶收缩，改善流变态，控制粘度等用途。碳酸钙的添加在橡胶制品中起到一种骨架作用，对橡胶制品尺寸的稳定有很大作用。它可以增加橡胶体积、降低产品成本，提高橡胶的尺寸稳定性，提高橡胶的硬度和刚性，改善橡胶的加工性能，提高橡胶的耐热性，改进橡胶的散光性等作用。其生产出的工程橡胶在某些方面的强度超过钢材，硬度接近玉石，具有耐磨、耐高温、耐老化的特性，可广泛用于电子、航天、精密机械、仪器、汽车行业等领域。
橡胶工业是碳酸钙的重要应用领域，无论是从国际还是国内情况来看，橡胶工业所用填料应用较多的便是碳酸钙。
（一）碳酸钙的特性
碳酸钙在橡胶中大量使用，得到橡胶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橡胶填充料使用，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橡胶制品。不足之处是着色的橡胶制品色泽不够鲜艳，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，因此填充橡胶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，在所有的橡胶加工温度下（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，大多数资源品质优良，特别是重金属含量低，达到国家卫生级要求。
（二）如何选择优质的碳酸钙？
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。对于橡胶材料来说，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。
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）的峰值称之为该材料的吸油值。对于某些橡胶制品，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，使其失去增塑橡胶的作用，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。
细度要适当，并非越细越好，粒径分布也要因需而定。
活化不活化要应依下游用户需求而定。
重钙和轻钙实用性深入对比：
碳酸钙不仅可以降低橡胶制品的原材料成本，而且还具有改善橡胶材料某些性能的作用，不同种类的碳酸钙在使用得当时，可显著提高基体橡胶的性能。
轻钙与重钙在橡胶生产中需要根据不同配方使用，同时还要区分两者间的区别。
来源方式不同：轻质碳酸钙是化学合成的碳酸钙，又称沉淀碳酸钙、胶体碳酸钙或者活性碳酸钙，甚至可以生产出纳米碳酸钙，简称轻钙。它是将石灰石原料煅烧生成石灰和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳，其主要成分氢氧化钙，通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，经脱水、干燥和粉碎制得，或者由碳酸纳和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀，经脱水、干燥和粉碎制得。重质碳酸钙简称重钙，是用机械方法直接粉碎天然的方解石、大理石、白垩、贝壳等制得。
堆积密度不同：重钙与轻钙明显的区别就在于产品的堆积密度不同，重钙产品的堆积密度较大，一般为0.8～1.3g/cm³；而轻钙产品的堆积密度较小，多为0.5～0.7g/cm³；一些纳米碳酸钙产品的堆积密度甚至更低，可以达到0.28g/cm³左右。由产品的包装体积也可以粗略分辨出重钙和轻钙产品，一般重钙产品多为25kg/包，产品包装体积较小，而同等质量的轻钙产品包装体积明显较大，一些纳米碳酸钙产品还采用15kg/包或20kg/包的包装。
习惯上我们常用沉降体积来衡量碳酸钙密度的大小，沉降体积是单位质量的碳酸钙在100ml水中振荡并静置3h后所具有的体积（ml），沉降体积越大说明产品粒度越小、密度越轻、产品档次越高。重质碳酸钙的沉降体积为1.1～1.4ml/g，轻质碳酸钙的沉降体积为2.4～2.8ml/g，纳米轻质碳酸钙的沉降体积为3.0～4.0ml/g，通过沉降体积的不同可以初步判断轻质碳酸钙、重质碳酸钙和纳米碳酸钙。其实重钙和轻钙的复合制品的真实密度相差不大，一般重钙真实密度为2.6-2.9g/cm³，而轻钙为2.4-2.6g/cm³。也有人说两者真实密度一样，只是堆积密度不同。究其原因是因为轻钙的颗粒形状为纺锤形或者枣核形，占用体积比较大；而重钙的外观形状为块状居多，占用体积比较小。
白度大小不同：由于重钙产品相对杂质较多，因此产品白度一般为89%！～93%！，极少数的产品能达到95%！。而轻钙产品因为化学合成制成，去除了很多杂质，产品纯净度很高，因此白度多为92%！～95%！，部分产品可以达到96%！～97%！，这也是轻钙产品多用于高档或浅色制品填充的主要原因。
重钙产品通常具有较低且稳定的水分含量，其水分含量一般为0.2%-0.3%，而高档重钙产品的水分含量甚至可以达到0.1%左右。普通轻钙产品的水分含量为0.3%-0.8%，有时会有一定的波动，不太稳定。通过水分仪器测试，水分含量较低的为重钙，较高的为轻钙。
在粒径方面，重钙产品的粒径为0.5-45um不等，而普通轻钙产品的粒径为0.5-15um。轻钙中的纳米碳酸钙粒径更细，尺寸为20-200nm。普通轻质碳酸钙的粒度为2500目左右，而重质碳酸钙的粒度完全可以满足需要，甚至比轻质碳酸钙更细。
在味道方面，轻钙因石灰石煅烧后去除杂质，白度较高、纯度也较高。然而，国内的轻钙很多因氧化钙反应不完全，残留有石灰味道。如果用于食品行业，如填充饼干，则会有呛人的味道。而重钙则没有这个问题。此外，过多的氧化钙会导致产品在水性体系偏碱性或PH值不好调节，成品不稳定。轻钙中有时需加入少量磷酸以调整PH值至合理范围，而重钙则没有这个问题。
在颗粒形状方面，普通轻钙的颗粒较为规则，在充分分散的情况下通常呈纺锤形。而重钙产品由于采用机械粉碎和分级，颗粒形态一般多为立方体、多棱体、长方体等不规则形态。对于不同的重钙加工方法，碳酸钙的微观形状不同，例如用擂蒙磨加工的碳酸钙为纺锤形，用气流磨加工的碳酸钙为颗粒形。对于重质碳酸钙不同产地碳酸钙具有固定的晶形，破碎和细化不会改变晶型，一般方解石重钙为六方晶型、大理石重钙为立方晶型。
在吸油值方面，轻质碳酸钙的吸油值为60-90ml/100mg，远远大于重质碳酸钙的40-60ml/100mg。因此，轻质碳酸钙的吸收液体性和吸收橡胶性能较差。如果配方含有液体助剂，应该选用吸油质小的重质碳酸。吸油值大的无机粉体会导致需要处理的偶联剂量增加。例如，碳酸钙的吸油值由40增大到50ml/100mg，会导致偶联剂用量增加30%!
在流动性方面，轻质碳酸钙的微观结构为纺锤形状，加上其自身吸油值比较大，会吸收配方中促进流动的组分如润滑剂、增塑剂、偶联剂、分散剂等。因此，其流动性不如重质碳酸钙好。一般加入量超过25份就严重影响流动性，而重质碳酸钙为颗粒状可以促进流动性，加入量不受限。在PVC管材配方中，如果碳酸钙添加需要超过25份，从流动性上考虑多数选用重质碳酸钙。
在价格方面，重质碳酸钙的加工主要是通过机械破碎、研磨的方法实现的；轻质碳酸钙的生产是通过化学反应沉淀后制取的，后者比前者的工艺复杂得多，要求也相应严格得多。因此，同等粒径的重质碳酸钙要比轻质碳酸钙便宜30%左右，如果性能允许可选择重质碳酸钙更经济便宜。
在改性功能方面，重质和轻质碳酸钙的改性效果有细微区别。重质碳酸钙对拉伸强度较好，而轻质碳酸钙对冲击强度和刚性较好。一般用轻钙的橡胶表面更光滑一些，使用重钙橡胶加工流动性要好一些，而且粒径较小的重钙填充橡胶性能也较好。
色光可控度：不同色相为颜色的主色调，而色光为颜色的余光。不同的碳酸钙具有不同的色光，具体有白色、红色、青色、黄色之分，究其原因为其晶型的不同，不同晶型的粉体具有不同的色相，碳酸钙具有三种不同的晶型，因此也就具有不同的色相。对于重质碳酸钙而言不同产地碳酸钙所发出的底色不同，破碎和细化也不会改变。如四川碳酸钙底色发蓝色，广西碳酸钙底色发红色、江西碳酸钙底色发青色等等。而对于轻质碳酸钙，因为它为化学合成法人工制成，在合成的过程中可以控制其产生晶型的种类，所有就可以控制其色光的类型。在具体配色时，碳酸钙的色光要与主着色剂色相一致，例如带蓝色色光的碳酸钙会消除黄色颜料的着色力。也经常利用带蓝色色光的碳酸钙，去消除在黄色色光的制品轻质碳酸钙带有蓝色色光，我们一般常用它加入PVC制品中消除其自身带有的黄色色光。这也是以前PVC很喜欢选择添加轻质碳酸钙而不选择重质碳酸钙的其中一个原因。
PH值大小不同：轻质碳酸钙的PH值为9-10，而重质碳酸钙的PH值为8-9，也就是说轻质碳酸钙的碱性比重质碳酸钙更强一些，在碳酸钙复合制品燃烧过程中，更加容易吸收酸性分解气体。因此，碳酸钙复合制品焚烧低毒气的原因为碳酸钙本身呈现碱性，可以吸收燃烧产生的HCl、H2S等酸性气体，消除酸性能物质遇氯元素产生二噁英的隐患。只有填充了无机物碳酸钙（CaCO3）在焚烧时才可降低发热量，焚烧时化为粉末不滴油、不冒黑烟，无二次公害产生，且不损伤焚化炉，符合环保产品的要求。
碳酸钙“碱度”的影响：碳酸钙作为重要的填料广泛应用在橡胶制品加工生产中，但是很多厂家生产的橡胶都不同程度的存在发黄、发脆等问题。碳酸钙的碱度对橡胶制品脆性和发黄的影响，因为碱度往往是很多厂家容易忽略的因素。工业沉淀碳酸钙碱度，实际上是我们生产过程中由于某种原因而导致的游离碱。游离碱是指碳酸钙生产中，产品未转化成碳酸钙而是以氢氧化钙形式而存在的物质。碱度过高，会和塑料其它增塑剂反应，引起塑料发脆、发黄等。由此可见，游离碱是碳酸钙产品中一项重要技术指标，必须在生产中严格控制。造成碳酸钙碱度高的主要原因，是碱式碳酸钙的形成。
石灰过烧：在石灰煅烧过程中，由于块度大小不一，掌握不好，很容易使石灰出现过烧现象。过烧石灰消化用水多，水温低消化不完全，产生石灰微粒。在碳化时所生成碳酸钙以微细颗粒为晶核、沉积在上面，形成碳酸钙包复着氧化钙粒子。我们知道，氧化钙结晶为立方体而碳酸钙结晶为斜方六面体，这两种结晶体的晶间夹角不同，在升温后发生不同的膨胀系数，而造成晶粒破碎，使氧化钙游离出来，而显碱性。
游离碱偏高：碱式碳酸钙，特别是在冷天，由于气温低氢氧化钙溶解度大，在碳化过程中，石灰乳中存在着氢氧化钙固体和水溶性氢氧化钙离子，再与二氧化碳进行碳化反应，是在碱性溶液中发生的，因此产生了碱式碳酸钙。这种碱式碳酸钙随着碳化液的温度和二氧化碳通入量而发生变化，转变成三种不同结构的碳酸钙（方解石型、灵石型、文石型）。当碳化到终点时，PH=8～10，偏碱性，不能把碱式碳酸钙破坏掉。这些碱式碳酸钙还没有来得及变化，进入下道工序，当进入回转烘干机后，温度升高碱式碳酸钙分解出氢氧化钙和碳酸钙，使碱度偏高。碱度高，天气冷比热天更为突出，关键就是热天气温高，水温也高，石灰消化较好，同时碳化塔的温度也比较高，而氢氧化钙溶解度低，不易产生板状碱式碳酸钙，容易转变成碳酸钙。由此可见，热天气的碱度比冷天低。因此关注碳酸钙的碱度在加工橡胶制品时也很重要。
