碳酸鈣等無機(jī)礦物粉體添加到基體樹脂，起到增量（降低成本）、改善某些方面的性能和增加功能三大作用，稱之為塑料的填充改性。
在使用性能得以滿足的情況下，使用的粉體越多，降低成本的作用越大，從減少價格高的高分子基體樹脂用量的角度看，對社會的貢獻(xiàn)也越大，但關(guān)鍵問題是由于無機(jī)礦物粉體的密度與高分子樹脂密度相差甚大（相差2～3倍），填充塑料材料的密度也因加入粉體而顯著增大，單位重量的物料，加有粉體的比純樹脂的體積減小，在以件數(shù)（注塑制品）、長度（管材、型材）、面積（薄膜、片材、板材、人造革等）為塑料材料及制品計算價格時往往會因為件數(shù)、長度、面積的減小造成的損失大于使用廉價粉體填料帶來的效益，此外還有增重后帶來的運輸成本加大，勞動強度大等問題，從而成為填充改性發(fā)展的瓶頸。多年來廣大科技人員對此進(jìn)行了頑強不息、鍥而不舍的研究，結(jié)果表明通過原輔材料和工藝裝備的創(chuàng)新，“增重問題”是可以得到一定程度解決的。
（1）凡是成型加工中有拉伸過程的，其填充塑料的密度都低于同樣成份的注塑成型塑料
聚丙烯（PP）扁絲經(jīng)過將近六倍的單向拉伸，碳酸鈣粉體顆粒分散在PP大分子經(jīng)拉抻后形成的空隙中，因此高倍的單向拉伸制品，其增重問題不明顯，在扁絲仍能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，同樣重量的物料，其扁絲的長度沒有明顯變化。
吹塑成型的塑料薄膜在加工時受到的是雙向拉伸，即橫向（徑向）和縱向，其拉伸比因原料的不同而有所不同，但一般都在2～3倍范圍。因此和添加同樣數(shù)量的粉體的注塑成型塑料材料相比，吹塑薄膜的密度就小得多。例如注塑成型的含重質(zhì)碳酸鈣（1250目）30%的PE塑料材料密度達(dá)到1.3g/cm3以上，而吹塑成型的填充PE薄膜的密度只有1.10g/cm3左右。
試驗結(jié)果表明，既使是注塑成型，如果能掌握好注射壓力和保壓時間，同樣配方和加工工藝設(shè)備，其注塑制品材料密度可以達(dá)到3～4%的變化。
（2）在交聯(lián)劑存在的情況下使用發(fā)泡劑形成微孔結(jié)構(gòu)，可有效降低填充塑料的密度
上世紀(jì)八十年代流行一時的鈣塑天花板，就是在使用交聯(lián)劑的情況下，用AC發(fā)泡劑使片材成型后的密度僅0.2g/cm3左右?，F(xiàn)在鈣塑天花板不流行了，但微孔泡沫鞋底（PE的或EVA的）還大量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用著，連續(xù)發(fā)泡的PE泡沫片材也有很大的市場。
之所以要使用交聯(lián)劑，是因為熔融狀態(tài)下，PE的分子組成不了結(jié)實的泡孔壁，發(fā)泡劑分解出的氣體不能保持在基體塑料中，而PE的分子經(jīng)交聯(lián)后可以形成足夠結(jié)實的泡孔壁，氣體被封閉住就可以形成微孔塑料，從而在交聯(lián)劑存在的情況下，塑料材料的密度得以減小。聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS）都因為能夠形成足夠強度的泡孔壁，因此發(fā)泡過程無需使用交聯(lián)劑，EPS因發(fā)泡劑為戊烷，無須使用的化學(xué)發(fā)泡劑。近年來發(fā)展很快的注塑成型超微發(fā)泡塑料使用的是干冰(二氧化碳，CO2）或液氮（N2），主要是在設(shè)備上下功夫，就另當(dāng)別論了。
使用交聯(lián)劑固然可以得到發(fā)泡PE塑料，但交聯(lián)劑氣味大且交聯(lián)后的塑料不利于回收再生利用。（3）不使用交聯(lián)劑實現(xiàn)聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微發(fā)泡，從而降低加有粉體填充塑料密度是近年來最有意義的技術(shù)創(chuàng)新之一。
武漢凌輝高分子材料有限公司發(fā)明的在不使用任何交聯(lián)劑的情況下，使加有30%重鈣的HDPE片材的密度比同樣配比的對比片材密度下降10%以上，而且已經(jīng)大量用于HDPE片材的產(chǎn)品中，是輕量化技術(shù)的重大突破，該技術(shù)已申請專利。
（4）微孔硅酸鈣的出現(xiàn)開辟了輕體填料降低填充塑料密度的新紀(jì)元
多年來人們始終不放棄尋找一種本身密度小的填料，希望以此打開填充塑料密度下降的缺口。硅藻土和沸石都是曾被寄予希望的粉體，但在實踐中其努力都被放棄了。主要問題是這兩種粉體本身的硬度高，對加工設(shè)備的磨損太嚴(yán)重，另一方面是二者都是大自然億萬年形成的產(chǎn)物，資源有限，硅藻土的純化也很復(fù)雜，價格不菲。
近年來，大唐國際再生資源公司以粉煤灰為基礎(chǔ)原料人工合成出微孔硅酸鈣，從原料上看是取之不竭，從成本上看,塑料加工行業(yè)可以接受,目前在塑料中的應(yīng)用已取得階段性成果。這種自身輕質(zhì)的填料將為塑料填充改性帶來一場革命化的變革，成為塑料改性歷史上的里程碑。
表1 硅酸鈣微粉的化學(xué)組成（%）
| SiO2 |
CaO |
Fe2O3 |
LOI |
| 45～47 |
44～46 |
0.065 |
7～10 |
1、物相組成
XRD分析結(jié)果表明，硅酸鈣微粉中CaSiO3·xH2O的含量達(dá)95%以上，其它為CaO、Ca(OH)2、SiO2等雜質(zhì)。
2、硅酸鈣微粉表面孔隙眾多，比表面積大（見圖1）
3、硅酸鈣微粉的性能指標(biāo)（見表2）
表2 硅酸鈣微粉的性能指標(biāo)
| 白度 |
PH值 |
堆積密度
g/cm3 |
真密度
g/cm3 |
吸油值
ml/100mg |
含水率
% |
平均粒徑
μm |
比表面積
m2/g |
| 89～92 |
8～11 |
0.17～0.30 |
1.30～1.40 |
130～170 |
3.61 |
15～30 |
50～150 |
4、硅酸鈣微粉和主要粉體材料的性能比較
表3 硅酸鈣微粉和幾種粉體材料的性能
| 填料類型 |
輕質(zhì)
碳酸鈣 |
超細(xì)重質(zhì)
碳酸鈣 |
超細(xì)
滑石粉 |
炭黑 |
氣相法
白炭黑 |
沉淀法
白炭黑 |
| SiO2含量，% |
|
|
40～75 |
|
≥99.8 |
92～95 |
| PH值 |
8～9 |
8～9 |
7～8 |
6～8 |
3.5～6 |
6～8 |
| 比表面積，m2/g |
5～10 |
20～80 |
|
80～150 |
150～400 |
150～350 |
| 含水率*，% |
0.85 |
0.16 |
0.27 |
1.82 |
4.28 |
9.45 |
| 吸油值，ml/100mg |
60～90 |
40～60 |
30～60 |
80～130 |
150～350 |
150～350 |
* 注：采用深圳市冠亞電子科技有限公司生產(chǎn)的SFY型快速水分測定儀，方法及條件與硅酸鈣含水率測定相同。
研究及實際生產(chǎn)表明，微孔硅酸鈣制成母料后與碳酸鈣母料按同樣比例加入到HDPE樹脂中制作片材，其制品的密度有明顯的差別，微孔硅酸鈣微料填充HDPE的密度在不同添加量時都有10%以上的下降幅度，而且性能無明顯差別。以添加50%母料的兩種HDPE板材為例的檢測結(jié)果見表4。
表4 添加50%的碳酸鈣和50%硅酸鈣母料板材性能測試
| 檢測項目 |
單位 |
|
硅酸鈣制品 |
碳酸鈣制品 |
| 密度 |
g/cm3 |
1.12 |
1.26 |
| 拉伸強度 |
MPa |
縱向 |
10.7 |
10.4 |
| 橫向 |
10.9 |
10.7 |
| 斷裂伸長率 |
% |
縱向 |
583 |
120 |
| 橫向 |
660 |
129 |
| 拉伸彈性模量 |
MPa |
縱向 |
225 |
180 |
| 橫向 |
240 |
205 |
| 彎曲強度 |
MPa |
縱向 |
10.6 |
10.4 |
| 橫向 |
11.2 |
11 |
| 彎曲模彈性模量 |
MPa |
縱向 |
288 |
180 |
| 橫向 |
355 |
215 |
| 撕裂強度 |
KN/m |
縱向 |
214 |
178 |
| 橫向 |
205 |
165 |
| 吸水性（21℃/24h） |
|
|
0.15 |
0.04 |
作者：劉英俊，中國塑協(xié)改性塑料專業(yè)委員會 理事長兼秘書長 教授級高工
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