Los avances en las tecnologías de procesamiento del carbonato de calcio le han permitido evolucionar de un relleno tradicional a un modificador. Esta evolución permite reducir los costos de los productos y, al mismo tiempo, mejorar sus propiedades. Algunas de ellas son exclusivas del carbonato de calcio. La nueva tecnología de microespumado y el carbonato de calcio hueco pueden reducir el peso. Producen compuestos de carbonato de calcio más livianos y están listos para la producción industrial.
Podemos predecir con confianza que en el futuro, el carbonato de calcio plástico compuesto Los materiales redefinirán el marco tradicional de “dos reducciones y una mejora”, es decir, reducir los costos y la densidad al mismo tiempo que se mejora el rendimiento. El carbonato de calcio pasará de ser un simple relleno a un modificador revolucionario.
Los materiales compuestos de carbonato de calcio plástico tradicionales no solo dan como resultado una reducción de todas las propiedades del material, sino que también pueden mejorar varios atributos y causar algunas degradaciones del rendimiento. Este artículo explorará específicamente los efectos positivos y negativos del carbonato de calcio como modificador. Nos guía en el aprendizaje del desarrollo de la modificación del carbonato de calcio en futuras investigaciones.
Efectos de modificación positiva del carbonato de calcio
1 Beneficios ambientales del carbonato de calcio
1.1 Conservación de los recursos petroleros
Impacto calculado del carbonato de calcio en envases de plástico
Utilizando carbonato de calcio 30% en PE, 3 millones de toneladas de bolsas de plástico podrían ahorrar 900.000 toneladas de resina a base de petróleo y 2,7 millones de toneladas de petróleo.
1.2 Rendimiento respetuoso con el medio ambiente
La incorporación de carbonato de calcio en las bolsas de basura de plástico destinadas a la incineración puede mejorar la eficiencia de la combustión y reducir significativamente el tiempo de incineración. Cuando se quema, el carbonato de calcio se expande dentro de la película de plástico, creando numerosos agujeros diminutos que aumentan la superficie disponible para la combustión. Este fenómeno acelera el proceso de combustión. Por ejemplo, el tiempo de incineración de la película de plástico de polietileno que contiene carbonato de calcio 30% se reduce de 12 segundos (para el plástico puro) a solo 4 segundos.
Además, las películas plásticas rellenas de carbonato de calcio promueven una combustión más completa, lo que minimiza el humo negro que se forma por el efecto de mecha del carbonato de calcio. La alcalinidad del carbonato de calcio ayuda a absorber los gases ácidos, lo que reduce el humo tóxico y el riesgo de lluvia ácida.
En Japón, las normas estipulan que las bolsas de basura de plástico para incineración deben contener al menos carbonato de calcio 30%. Además de la mayor velocidad de combustión, las bolsas rellenas de carbonato de calcio generan menos calor, no producen goteos ni humo negro, mitigan la contaminación secundaria y no son perjudiciales para los incineradores.
2. Efectos de modificación habituales del carbonato de calcio
2.1 Mayor rigidez de los materiales compuestos
El carbonato de calcio mejora la resistencia a la flexión, el módulo de flexión, la dureza y la resistencia al desgaste de los materiales compuestos. En las películas de plástico, la mayor rigidez mejora significativamente la rigidez, lo que facilita el curvado plano y la integridad estructural general.
2.2 Estabilidad dimensional mejorada de materiales compuestos
El carbonato de calcio contribuye a mejorar la estabilidad dimensional al reducir la contracción y la deformación, disminuir el coeficiente de expansión lineal, minimizar la fluencia y promover la isotropía. La inclusión de carbonato de calcio en los compuestos mejora significativamente la estabilidad dimensional.
2.3 Mejora de la resistencia térmica en materiales compuestos
El carbonato de calcio mejora la estabilidad térmica de los materiales compuestos al absorber sustancias que promueven la descomposición. Por ejemplo, los compuestos de PBAT/carbonato de calcio presentan una estabilidad térmica significativamente mayor en comparación con el PBAT puro. Además, la incorporación de carbonato de calcio ligero en productos de PVC absorbe eficazmente el cloruro de hidrógeno producido durante la descomposición, lo que mejora en gran medida la estabilidad térmica del procesamiento del PVC.
2.4 Mayor resistencia al desgarro de las películas
Las películas de plástico típicas suelen tener una resistencia longitudinal alta pero una resistencia transversal baja, en particular en materiales como las películas de poliéster alifático PBS, PLA y PHA. La adición de carbonato de calcio puede mejorar la isotropía de estos materiales compuestos, lo que conduce a una resistencia al desgarro significativamente mejorada.
3. Propiedades especiales modificadas del carbonato de calcio
3.1 Efectos sobre las propiedades de tracción e impacto
El impacto del carbonato de calcio en la resistencia a la tracción y al impacto en películas plásticas no es universal; está influenciado por factores como el tamaño de las partículas y el tratamiento de la superficie.
Efecto del tamaño de partícula: Los diferentes tamaños de partículas de carbonato de calcio producen distintos efectos de modificación en los plásticos, como se ilustra en la Tabla 1. Generalmente, se utilizan tamaños de partículas inferiores a 1000 mesh para la modificación incremental. Los tamaños de partículas entre 1000 y 3000 mesh, con una cantidad de adición inferior a 10%, pueden lograr algunos efectos de modificación. Por el contrario, el carbonato de calcio con tamaños de partículas superiores a 5000 mesh, clasificado como carbonato de calcio funcional, demuestra efectos de modificación significativos y puede mejorar tanto la resistencia a la tracción como la resistencia al impacto. Aunque el carbonato de calcio a escala nanométrica tiene un tamaño de partícula más fino, su dificultad actual de dispersión limita su eficacia, restringiéndolo a resultados de modificación similares a los del carbonato de calcio de 8000 mesh.
Tabla 1: Efecto del carbonato de calcio pesado con diferentes tamaños de partículas en el rendimiento de los materiales compuestos de PP
| Tamaño de malla de carbonato de calcio pesado tratado con agente de acoplamiento (30%) | 2000 | 1250 | 800 | 500 |
| Índice de fluidez (g/10 min) | 4.0 | 5.0 | 5.6 | 5.5 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 19.3 | 18.4 | 18.7 | 18.1 |
| Alargamiento de rotura (%) | 422 | 420 | 341 | 367 |
| Resistencia a la flexión (MPa) | 28 | 28.6 | 28.2 | 28.4 |
| Módulo de flexión (MPa) | 1287 | 1291 | 1303 | 1294 |
| Resistencia al impacto Izod (J/m) | 113 | 89 | 86 | 78 |
Como se muestra en la Tabla 1, los tamaños de partículas más finos de carbonato de calcio dan lugar a una mayor resistencia al impacto, resistencia a la tracción y elongación a la rotura, mientras que la resistencia a la flexión y el módulo de flexión permanecen relativamente inalterados. Sin embargo, la fluidez del material compuesto disminuye con tamaños de partículas más finos.
Efecto del tratamiento de superficie: Un tratamiento adecuado de la superficie del carbonato de calcio con tamaños de partículas adecuados puede mejorar significativamente la resistencia a la tracción y al impacto de los materiales compuestos. Recientemente, los avances en la teoría de los compuestos orgánicos/inorgánicos han transformado el carbonato de calcio de un simple relleno a un nuevo material de relleno funcional. Por ejemplo, la resistencia al impacto con entalla de un compuesto de polipropileno (PP) homopolímero/carbonato de calcio puede ser más del doble en comparación con el plástico base.
3.2 Supresión de humo durante la combustión
El carbonato de calcio presenta excelentes capacidades de supresión de humo. Esto se debe a su capacidad de reaccionar con haluros de hidrógeno presentes en el humo, formando cloruro de calcio estable (CaCl₂). Por lo tanto, se puede utilizar como supresor de humo en cualquier polímero que produzca haluros de hidrógeno durante la combustión, incluidos el cloruro de vinilo, el polietileno clorosulfonado y el caucho de cloropreno.
Dado que la combustión es una reacción heterogénea sólido-gas que se produce en la superficie de las partículas sólidas, el tamaño de las partículas de carbonato de calcio desempeña un papel crucial en su eficacia para suprimir el humo. Las partículas más finas poseen una superficie específica significativamente mayor, lo que mejora el efecto de supresión del humo.
3.3 Agente antiadherente
Las películas tubulares sopladas que contienen carbonato de calcio presentan excelentes propiedades de apertura y resisten la adherencia durante el rizado. En este contexto, el carbonato de calcio funciona eficazmente como agente antiadherente.
3.4 Aumentar la conductividad térmica
La adición de carbonato de calcio aumenta la conductividad térmica de la película. La burbuja de la película soplada se enfría más rápido. Esto aumenta la producción y aumenta el rendimiento de la extrusora. Si tomamos como ejemplo el carbonato de calcio ligero 25% en una lámina de PVC, se tarda solo 3,5 segundos en calentarla a 200 °C. Una lámina de PVC puro tarda 10,8 segundos. La conductividad térmica aumentó tres veces.
3.5 Mejorar la fluidez
El carbonato de calcio puede mejorar la fluidez del sistema compuesto, reducir la viscosidad de la masa fundida y el par de torsión de la extrusora, aumentar la producción de la extrusora y mejorar la eficiencia de producción. Los diferentes tipos de carbonato de calcio tienen diferentes efectos sobre el flujo. El orden de fluidez del material compuesto específico es carbonato de calcio de calcita grande> carbonato de calcio de mármol, carbonato de calcio de dolomita> carbonato de calcio de calcita pequeña> carbonato de calcio ligero.
3.6 Rendimiento de combinación de colores
Reemplazo de algunos pigmentos blancos: el carbonato de calcio de alta blancura puede reemplazar algunos pigmentos blancos como el dióxido de titanio, ahorrando así el contenido de dióxido de titanio costoso. El carbonato de calcio de calcita grande es la primera opción debido a su alta blancura y alto poder cubriente. La razón por la que el carbonato de calcio se puede utilizar como pigmento blanco es principalmente porque tiene un cierto poder cubriente. El poder cubriente de un recubrimiento se refiere a la cantidad mínima de pintura necesaria para aplicar uniformemente la pintura sobre la superficie de un objeto de modo que el color base ya no aparezca. Se expresa en g / ㎡.
El poder cubriente de varios colorantes en recubrimientos se muestra en la Tabla 2:
Tabla 2: Poder de ocultación de algunos pigmentos inorgánicos y orgánicos
| Nombre del pigmento | Poder cubriente (g/cm) |
| Para rojo (tono claro) | 18.1-16.3 |
| Para rojo (tono oscuro) | 17.1-15.0 |
| Lago rojo c | 23.8-18.8 |
| Lithol rojo (lago Ba) | 33.7-21.7 |
| Rojo litol (lago Ca) | 49.0-33.7 |
| Rubí litol | 33.9 |
| Lago escarlata yanqui | 88.5 |
| Rodamina Y (precipitado de tungstato) | 25.1 |
| Rodamina B (precipitado de fosfotungstato) | 16.1 |
| Castaño toluidina rojo | 34.8-37.7 |
| BL rojo resistente a la luz | 12.4 |
| Dióxido de titanio | 18.4 |
| (tipo rutilo, tipo anatasa) | 19.5 |
| Óxido de zinc | 24.8 |
| Sulfato de bario | 30.6 |
| Carbonato de calcio | 31.4 |
| Hansa amarillo G | 54.9 |
| Hansa amarillo 10G | 58.8 |
| Naranja permanente | 29.6 |
| Verde malaquita | 5.4 |
| Pigmento verde B | 2.7 |
| Azul de malaquita (precipitado de fosfotungstato) | 7.7 |
| Azul malaquita | 68.5 |
| Violeta de metilo (precipitado de fosfotungstato) | 7.6 |
| Violeta de metilo (precipitante de taninos) | 4.9 |
| Violeta resistente a la luz solar | 10.2 |
| Azul de ftalocianina | 4.5 |
| Mortero de bario y zinc (polvo de plomo) | 23.6 |
| Mortero de plomo (sulfato de plomo básico) | 26.9 |
| Trióxido de antimonio | 22.7 |
| Talco | 32.2 |
El poder cubriente de un material está estrechamente relacionado con su índice de refracción. En general, un índice de refracción más alto da como resultado un mayor poder cubriente y un tono blanco más intenso. El índice de refracción de varios materiales blancos se detalla en la Tabla 3.
Tabla 3: Índice de refracción de diversos materiales blancos
| Materiales blancos | Número de índice del colorante | Índice de refracción |
| Dióxido de titanio (tipo rutilo) | Mortero de pigmento 6 | 2.70 |
| Polvo de titanio (tipo anatasa) | Mortero de pigmento 6 | 2.55 |
| Óxido de circonio | Mortero de pigmento 12 | 2.40 |
| Sulfuro de zinc | 2.37 | |
| Trióxido de antimonio | Mortero de pigmento 11 | 2.19 |
| Óxido de zinc | Mortero de pigmento 4 | 2.00 |
| Litopón (polvo de zinc y bario) | Mortero de color 21 | 2.10 |
| Sulfato de bario | Mortero de pigmento 18 | 1.64 |
| Carbonato de calcio | Mortero de pigmento 27 | 1.58 |
| Talco | Número de índice del colorante | 1.54 |
Impacto en la coloración El color blanco natural del carbonato de calcio influye en su capacidad para combinar colores brillantes, lo que dificulta la obtención de combinaciones de colores brillantes. Además, puede complicar la combinación de negros especiales.
Impacto de la luz en el color Además de su color blanco natural, el carbonato de calcio puede exhibir diferentes tonos de luz, lo que afecta la pureza del color. La luz de color se refiere a los matices adicionales que muestra un objeto junto con su color principal. Por ejemplo, los colores complementarios se encuentran en los extremos opuestos del espectro de colores; el azul, por ejemplo, se complementa con el amarillo. Mezclarlos puede producir luz blanca, un método eficaz para neutralizar la luz de color.
El color base que emite el carbonato de calcio varía según su origen. Por ejemplo:
- El carbonato de calcio de Sichuan tiene un color base azul.
- El carbonato de calcio de Guangxi tiene un color base rojo.
- El carbonato de calcio de Jiangxi también tiene un color base azul.
Al combinar colores, la luz de color del carbonato de calcio debe alinearse con el tono de color primario. Por ejemplo, el carbonato de calcio con un tinte azul puede contrarrestar el poder colorante de los pigmentos amarillos. También se utiliza comúnmente para neutralizar la luz de color amarilla en los productos.
Mejora del astigmatismo en productos plásticos: si bien la adición de carbonato de calcio no mejora el brillo de los productos plásticos, lo reduce eficazmente y proporciona un efecto mate.
3.7 Aumento de la transpirabilidad
Las películas plásticas rellenas de carbonato de calcio crean poros diminutos durante el estiramiento, lo que permite el paso del vapor de agua y evita la infiltración de agua líquida. Esta característica las hace adecuadas para producir productos plásticos transpirables. Para obtener resultados óptimos, solo se debe utilizar carbonato de calcio con un tamaño de partícula de 3000 mesh o más fino, con una distribución estrecha del tamaño de partícula.
3.8 Promoción del rendimiento de degradación de los productos
Cuando se entierran bolsas de plástico de polietileno que contienen carbonato de calcio, este puede reaccionar con el dióxido de carbono y el agua para formar bicarbonato de calcio soluble en agua (Ca(HCO₃)₂), que puede salir de la película. Este proceso crea pequeños orificios en la película, lo que aumenta la superficie en contacto con el aire y los microorganismos, facilitando así la degradación del producto.
3.9 Función de nucleación del carbonato de calcio
El nanocarbonato de calcio (CaCO₃) desempeña un papel crucial en la nucleación de cristalización del polipropileno, aumentando el contenido de cristales β y mejorando así la tenacidad al impacto del polipropileno.
3.10 Reducción de la absorción de agua en plásticos PA
La absorción de agua de los compuestos de poliamida (PA)/carbonato de calcio es significativamente menor que la de la resina PA pura. Por ejemplo, la incorporación de carbonato de calcio 25% en PA6 puede reducir la tasa de absorción de agua del material compuesto en 56%.
3.11 Mejora de las propiedades superficiales
El carbonato de calcio puede mejorar la tensión superficial de los materiales compuestos. Tiene excelentes propiedades de adsorción, lo que mejora sus cualidades de galvanoplastia, recubrimiento e impresión.
3.12 Efectos del carbonato de calcio sobre la formación de espuma
La influencia del carbonato de calcio en el rendimiento de formación de espuma de los materiales plásticos es compleja y depende tanto del tamaño de partícula como de la cantidad utilizada:
Carbonato de calcio Tamaño: Cuando el tamaño de partícula del carbonato de calcio se alinea con el agente espumante, puede actuar como agente nucleante. Este proceso influye positivamente en la formación de espuma. El tamaño de partícula ideal es inferior a 5 μm y debe evitar la aglomeración. Si el tamaño de partícula supera los 10 μm o es demasiado fino y se aglomera, puede afectar negativamente a la formación de espuma. Se recomienda utilizar carbonato de calcio de malla 3000 (aproximadamente 4 μm) para garantizar un tamaño inferior a 5 μm sin aglomeración.
Los mecanismos por los cuales el carbonato de calcio promueve la formación de espuma incluyen:
Actúa como agente nucleante absorbiendo gas espumoso para crear núcleos de burbujas, controlando así el número de poros y refinando su tamaño.
Proporciona rigidez que ralentiza la deformación y la movilidad de la masa fundida, lo que ayuda a inhibir la rápida expansión de los poros y permite tamaños de poro más finos. El nanocarbonato de calcio puede incluso generar plásticos espumosos microporosos debido al pequeño tamaño del agente nucleante.
Cantidad de carbonato de calcio añadido: La cantidad óptima de carbonato de calcio para mejorar la calidad de la formación de espuma suele oscilar entre 10% y 30%. Si se añade muy poco, no habrá suficientes puntos de nucleación, lo que dará lugar a una baja relación de formación de espuma. Por el contrario, si se utiliza demasiado, aunque se creen más puntos de nucleación, la resistencia de la masa fundida puede disminuir excesivamente. Esto da lugar a numerosas burbujas rotas y a una reducción de la relación de formación de espuma.
Dispersabilidad del carbonato de calcio: La dispersión uniforme del carbonato de calcio es esencial para promover la calidad de la formación de espuma. El carbonato de calcio distribuido uniformemente garantiza que no se produzcan aglomeraciones. Si el tamaño de las partículas es inferior a 5 μm, funcionará eficazmente como agente nucleante sin afectar negativamente a la formación de espuma.
Contenido de agua del carbonato de calcio: Si el contenido de agua del polvo inorgánico es inferior a 0,51 TP3T, tendrá un impacto mínimo en la formación de espuma.
Otras propiedades: El carbonato de calcio también contribuye a mejorar la resistencia al desgaste y la dureza en los materiales compuestos.
Modificaciones negativas de los rellenos
1. Mayor densidad de los materiales compuestos
La adición de carbonato de calcio a la resina produce un rápido aumento de la densidad del material compuesto. En el caso de los productos que se venden por peso, longitud o superficie, este aumento de densidad puede compensar algunas ventajas en términos de costes. El grado de aumento de peso varía entre los distintos tipos de carbonato de calcio, y el orden de densidad específico es el siguiente:
Carbonato de calcio ligero < Carbonato de calcio calcítico grande < Carbonato de calcio marmóreo < Carbonato de calcio dolomítico < Carbonato de calcio calcítico pequeño.
Cómo reducir la densidad de los plásticos compuestos de carbonato de calcio:
1.1 Estiramiento del producto para la reducción de peso:
El estiramiento crea espacios de deformación entre el plástico y el carbonato de calcio, lo que reduce ligeramente la densidad total. Por ejemplo, una película de polietileno estirada rellena con carbonato de calcio 30% tiene una densidad de 1,1 g/cm³, en comparación con los 1,2 g/cm³ de la versión sin estirar. Esta técnica es aplicable a diversos productos plásticos, como alambre plano, película soplada, cinta de fleje y película desgarrable.
1.2 Producto Microespumante para Reducción de Peso:
El uso de la humedad absorbida por el relleno para la microespuma puede reducir significativamente la densidad sin comprometer el rendimiento. Por ejemplo, nuestro material compuesto de carbonato de calcio liviano 50% puede alcanzar una densidad mínima de 0,7 g/cm³ cuando se utiliza para producir películas, lo que representa una reducción de 45%.
1.3 Relleno de huecos para reducción de peso:
El uso de una tecnología de vaciado de polvo inorgánico sencilla y rentable permite la producción de productos huecos de carbonato de calcio, lo que reduce en gran medida la densidad. La densidad de estos productos huecos se puede reducir a aproximadamente 0,7 g/cm³.
2. Reducción del brillo en materiales compuestos
El método de procesamiento y el tipo de carbonato de calcio afectan el brillo de la superficie de los productos compuestos. El orden de brillo para los diferentes materiales compuestos es el siguiente:
- Proceso húmedo > Proceso seco
- Carbonato de calcio ligero > Carbonato de calcio calcítico grande > Carbonato de calcio marmóreo > Carbonato de calcio calcítico pequeño > Carbonato de calcio dolomítico.
3. Reducción de la transparencia en materiales compuestos
El índice de refracción del carbonato de calcio difiere significativamente del de las resinas comunes, como el polietileno y el polipropileno. Como resultado, los rellenos de carbonato de calcio de tamaño convencional pueden afectar negativamente la transparencia de las películas. Solo el nanocarbonato de calcio, con un tamaño inferior a 200 nanómetros, puede mantener la transparencia del compuesto. Las ondas de luz pueden eludir eficazmente estas partículas tan pequeñas.
4. Reducción del alargamiento de rotura en materiales compuestos
La elevada rigidez del carbonato de calcio puede disminuir la ductilidad original del material compuesto. Esta mayor rigidez reduce la movilidad de las cadenas macromoleculares, lo que da como resultado una menor elongación a la rotura del producto final.
5. Disminución de la resistencia a la tracción y la resistencia al impacto.
En muchos casos, la adición de carbonato de calcio puede provocar una reducción de la resistencia a la tracción y a los impactos en el material compuesto. Esto es especialmente cierto si las partículas de carbonato de calcio son demasiado grandes o si el tratamiento de la superficie del carbonato de calcio es inadecuado. La disminución más notable se observa a menudo en la resistencia a la tracción.
6. Aumento del fenómeno del blanqueamiento por estrés
Si se añade una gran cantidad de carbonato de calcio a la resina, pueden aparecer huecos y vetas plateadas cuando se estira el producto, lo que empeora el blanqueamiento por tensión de la resina.
7. Aceleración del envejecimiento del producto
Todos los materiales en polvo inorgánicos, incluido el carbonato de calcio, pueden acelerar el envejecimiento de los materiales compuestos, lo que conduce a una reducción de la longevidad y el rendimiento de los productos.
8. Reducción de la fuerza de unión entre materiales
El uso de carbonato de calcio puede reducir la fuerza de unión de las películas, por ejemplo, reduciendo la resistencia del sellado térmico, y también puede disminuir la resistencia de la soldadura de las tuberías.