탄산칼슘 가공 기술의 발전으로 전통적인 필러에서 개질제로 진화할 수 있었습니다. 이러한 진화를 통해 제품의 비용을 절감하는 동시에 특성을 향상시킬 수 있습니다. 그 중 일부는 탄산칼슘에만 고유합니다. 새로운 미세 발포 기술과 중공 탄산칼슘은 무게를 줄일 수 있습니다. 이들은 더 가벼운 탄산칼슘 복합재를 만듭니다. 이들은 산업 생산에 적합합니다.
우리는 미래에 플라스틱 탄산칼슘이 합성물 재료는 "두 가지 감소와 한 가지 개선"이라는 전통적인 틀을 재정의할 것입니다. 즉, 비용과 밀도를 줄이는 동시에 성능을 향상시킵니다. 탄산칼슘은 단순한 필러에서 혁신적인 개질제로 전환될 것입니다.
전통적인 플라스틱 탄산칼슘 복합 재료는 모든 재료 특성의 감소만을 초래하지 않습니다. 대신, 일부 성능 저하를 유발하는 동시에 다양한 속성을 향상시킬 수도 있습니다. 이 기사에서는 개질제로서 탄산칼슘의 긍정적, 부정적 효과를 구체적으로 살펴봅니다. 이는 미래 연구의 탄산칼슘 개질 개발을 배우는 데 도움이 됩니다.
탄산칼슘의 긍정적 변화 효과
1 탄산칼슘의 환경적 이점
1.1 석유자원의 보존
플라스틱 포장재에 탄산칼슘이 미치는 영향 계산
PE에 30% 탄산칼슘을 사용하면 300만 톤의 비닐봉투로 석유계 수지 90만 톤과 석유 270만 톤을 절약할 수 있습니다.
1.2 환경 친화적 성능
소각을 목적으로 하는 플라스틱 쓰레기 봉지에 탄산칼슘을 첨가하면 연소 효율을 높이고 소각 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 연소 시 탄산칼슘은 플라스틱 필름 내에서 확장되어 연소에 사용할 수 있는 표면적을 늘리는 수많은 작은 구멍을 만듭니다. 이 현상은 연소 과정을 가속화합니다. 예를 들어, 30% 탄산칼슘이 포함된 폴리에틸렌 플라스틱 필름의 소각 시간은 12초(순수 플라스틱의 경우)에서 단 4초로 단축됩니다.
또한, 탄산칼슘으로 채워진 플라스틱 필름은 더 완전한 연소를 촉진합니다. 이는 탄산칼슘의 심지 효과로 인한 검은 연기를 최소화합니다. 탄산칼슘의 알칼리성은 산성 가스를 흡수하는 데 도움이 됩니다. 이는 독성 연기와 산성비 위험을 줄입니다.
일본의 규정에 따르면 소각용 플라스틱 쓰레기 봉지는 최소 30% 탄산칼슘을 포함해야 합니다. 향상된 연소 속도 외에도 탄산칼슘으로 채워진 봉지는 열을 덜 발생시키고, 물방울이나 검은 연기를 발생시키지 않으며, 2차 오염을 완화하고, 소각로에 손상을 주지 않습니다.
2. 탄산칼슘의 일반적인 변형 효과
2.1 복합소재의 강성 향상
탄산칼슘은 복합재의 굽힘 강도, 굽힘 계수, 경도 및 내마모성을 향상시킵니다. 플라스틱 필름의 경우 강성이 증가하면 강성이 크게 향상되어 플랫 컬링과 전반적인 구조적 무결성이 용이해집니다.
2.2 복합재료의 향상된 치수 안정성
탄산칼슘은 수축과 뒤틀림을 줄이고, 선형 팽창 계수를 낮추고, 크리프를 최소화하고, 등방성을 촉진하여 치수 안정성을 개선하는 데 기여합니다. 복합재에 탄산칼슘을 포함하면 치수 안정성이 크게 향상됩니다.
2.3 복합재료의 내열성 향상
탄산칼슘은 분해를 촉진하는 물질을 흡수하여 복합재의 열 안정성을 향상시킵니다. 예를 들어, PBAT/탄산칼슘 복합재는 순수한 PBAT에 비해 상당히 더 큰 열 안정성을 보입니다. 또한 PVC 제품에 가벼운 탄산칼슘을 통합하면 분해 중에 생성되는 염화수소를 효과적으로 흡수하여 PVC의 가공 열 안정성을 크게 향상시킵니다.
2.4 필름의 향상된 인열 저항성
일반적인 플라스틱 필름은 종종 세로 강도는 높지만 가로 강도는 낮은데, 특히 PBS, PLA, PHA 지방족 폴리에스터 필름과 같은 재료에서 그렇습니다. 탄산칼슘을 첨가하면 이러한 복합 재료의 등방성을 개선하여 인열 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
3. 탄산칼슘의 특수 변형 특성
3.1 인장 및 충격 특성에 대한 효과
탄산 칼슘이 플라스틱 필름의 인장 강도와 충격 강도에 미치는 영향은 보편적이지 않다. 입자 크기와 표면 처리와 같은 요인의 영향을 받는다.
입자 크기의 효과: 표 1에 나와 있듯이 탄산칼슘의 입자 크기가 다르면 플라스틱에 다양한 개질 효과가 나타납니다. 일반적으로 1000메시 이하의 입자 크기는 증분적 개질에 사용됩니다. 10% 이하의 첨가량을 가진 1000~3000메시 사이의 입자 크기는 어느 정도의 개질 효과를 얻을 수 있습니다. 반면, 기능성 탄산칼슘으로 분류되는 5000메시 이상의 입자 크기를 가진 탄산칼슘은 상당한 개질 효과를 보이며 인장 강도와 충격 강도를 모두 향상시킬 수 있습니다. 나노스케일 탄산칼슘은 입자 크기가 더 미세하지만 분산에 대한 현재의 어려움으로 인해 효과가 제한되어 8000메시 탄산칼슘과 유사한 개질 결과를 보입니다.
표 1: 다양한 입자 크기를 갖는 중탄산칼슘이 PP 복합소재 성능에 미치는 영향
| 커플링제 처리 중질탄산칼슘(30%) 메시사이즈 | 2000 | 1250 | 800 | 500 |
| 용융흐름지수(g/10분) | 4.0 | 5.0 | 5.6 | 5.5 |
| 인장강도(MPa) | 19.3 | 18.4 | 18.7 | 18.1 |
| 파단신장률(%) | 422 | 420 | 341 | 367 |
| 굽힘강도(MPa) | 28 | 28.6 | 28.2 | 28.4 |
| 굽힘탄성률(MPa) | 1287 | 1291 | 1303 | 1294 |
| 아이조드 충격 강도(J/m) | 113 | 89 | 86 | 78 |
표 1에서 보듯이, 탄산칼슘의 입자 크기가 미세할수록 충격 강도, 인장 강도, 파단 신율이 증가하는 반면, 굽힘 강도와 굽힘 탄성률은 비교적 변하지 않습니다. 그러나 복합재의 유동성은 입자 크기가 미세할수록 감소합니다.
표면처리의 효과 : 적절한 입자 크기로 탄산칼슘을 적절히 표면 처리하면 복합재의 인장 강도와 충격 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 최근 유기/무기 복합재 이론의 발전으로 탄산칼슘이 단순한 필러에서 새로운 기능성 충전재로 바뀌었습니다. 예를 들어, 호모폴리머 폴리프로필렌(PP)/탄산칼슘 복합재의 노치 충격 강도는 기본 플라스틱에 비해 두 배 이상 높아질 수 있습니다.
3.2 연소 중 연기 억제
탄산칼슘은 뛰어난 연기 억제 능력을 보여줍니다. 이는 연기 속의 수소 할로겐화물과 반응하여 안정된 염화칼슘(CaCl₂)을 형성하는 능력 때문입니다. 따라서 염화비닐, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 클로로프렌 고무를 포함하여 연소 중에 수소 할로겐화물을 생성하는 모든 폴리머에서 연기 억제제로 사용할 수 있습니다.
연소는 고체 입자의 표면에서 발생하는 고체-기체 이질 반응이므로 탄산칼슘의 입자 크기는 연기 억제 효과에 중요한 역할을 합니다. 더 미세한 입자는 상당히 더 큰 비표면적을 가지고 있어 연기 억제 효과가 향상됩니다.
3.3 항접착제
탄산칼슘을 함유한 블로운 튜브형 필름은 우수한 개방 특성을 보이고 컬링 중에 접착을 견딥니다. 이러한 맥락에서 탄산칼슘은 접착 방지제로 효과적으로 기능합니다.
3.4 열전도도 증가
탄산칼슘을 첨가하면 필름의 열전도도가 높아집니다. 블로운 필름의 버블이 더 빨리 식습니다. 이렇게 하면 생산이 증가하고 압출기의 출력이 증가합니다. 예를 들어 PVC 시트에 25% 경질 탄산칼슘을 넣으면 200°C까지 가열하는 데 3.5초밖에 걸리지 않습니다. 순수 PVC 시트는 10.8초가 걸립니다. 열전도도가 3배 증가했습니다.
3.5 유동성 향상
탄산칼슘은 복합 시스템의 유동성을 개선하고, 용융 점도와 압출기 토크를 낮추고, 압출기 출력을 증가시키고, 생산 효율을 개선할 수 있습니다. 다양한 유형의 탄산칼슘은 흐름에 다른 영향을 미칩니다. 특정 복합 재료의 유동성 순서는 대형 방해석 탄산칼슘>대리석 탄산칼슘, 백운석 탄산칼슘> 소형 방해석 탄산칼슘>경질 탄산칼슘입니다.
3.6 색상 매칭 성능
일부 백색 안료 대체: 고백도 탄산칼슘은 이산화티타늄과 같은 일부 백색 안료를 대체하여 값비싼 이산화티타늄의 함량을 절약할 수 있습니다. 큰 방해석 탄산칼슘은 높은 백색도와 높은 은폐력으로 인해 첫 번째 선택입니다. 탄산칼슘을 백색 안료로 사용할 수 있는 이유는 주로 일정한 은폐력이 있기 때문입니다. 코팅의 은폐력은 기본 색상이 더 이상 나타나지 않도록 물체 표면에 페인트를 고르게 도포하는 데 필요한 최소한의 페인트 양을 말합니다. g/㎡로 표현합니다.
코팅제에 함유된 다양한 착색제의 은폐력은 표 2에 나와 있습니다.
표 2: 일부 무기 및 유기 안료의 은폐력
| 안료명 | 피복력(g/cm) |
| 파라 레드(밝은 색조) | 18.1-16.3 |
| 파라 레드(진한 색조) | 17.1-15.0 |
| 붉은 호수 c | 23.8-18.8 |
| 리톨 레드(Ba 호수) | 33.7-21.7 |
| 리톨 레드(Ca 호수) | 49.0-33.7 |
| 리톨 루비 | 33.9 |
| 얀케 스칼렛 호수 | 88.5 |
| 로다민 Y(텅스텐산 침전물) | 25.1 |
| 로다민 B(인산텅스텐산염 침전물) | 16.1 |
| 톨루이딘 밤색 | 34.8-37.7 |
| 빛에 강한 빨간색 BL | 12.4 |
| 이산화티타늄 | 18.4 |
| (루틸형, 아나타스형) | 19.5 |
| 산화 아연 | 24.8 |
| 황산바륨 | 30.6 |
| 탄산칼슘 | 31.4 |
| 한자 옐로우 G | 54.9 |
| 한자옐로우 10G | 58.8 |
| 영구 오렌지 | 29.6 |
| 말라카이트 그린 | 5.4 |
| 피그먼트 그린 B | 2.7 |
| 말라카이트 블루(인산텅스텐산염 침전물) | 7.7 |
| 말라카이트 블루 | 68.5 |
| 메틸바이올렛(인산텅스텐산염 침전물) | 7.6 |
| 메틸바이올렛(탄닌 침전제) | 4.9 |
| 햇빛 빠른 보라색 | 10.2 |
| 프탈로시아닌 블루 | 4.5 |
| 아연바륨 모르타르(납가루) | 23.6 |
| 납 모르타르(염기성 황산납) | 26.9 |
| 삼산화안티몬 | 22.7 |
| 활석 | 32.2 |
재료의 은폐력은 굴절률과 밀접한 관련이 있습니다. 일반적으로 굴절률이 높을수록 은폐력이 커지고 흰색 색조가 더 강해집니다. 다양한 흰색 재료의 굴절률은 표 3에 자세히 나와 있습니다.
표 3: 다양한 백색 재료의 굴절률
| 흰색소재 | 색소지수번호 | 굴절률 |
| 이산화티타늄(루틸형) | 안료모르타르 6 | 2.70 |
| 티타늄파우더(아나타스형) | 안료모르타르 6 | 2.55 |
| 산화지르코늄 | 안료모르타르 12 | 2.40 |
| 황화아연 | 2.37 | |
| 삼산화안티몬 | 안료모르타르 11 | 2.19 |
| 산화 아연 | 안료모르타르 4 | 2.00 |
| 리토폰(아연-바륨분말) | 컬러모르타르 21 | 2.10 |
| 황산바륨 | 안료모르타르 18 | 1.64 |
| 탄산칼슘 | 안료모르타르 27 | 1.58 |
| 활석 | 색소지수번호 | 1.54 |
색칠에 미치는 영향 탄산칼슘의 자연스러운 흰색은 밝은 색상을 매치하는 능력에 영향을 미쳐 밝은 색상 조합을 달성하기 어렵게 만듭니다. 또한 특수 검정색의 매치를 복잡하게 만들 수 있습니다.
색상 빛에 미치는 영향 천연 백색 외에도 탄산칼슘은 다양한 색광을 나타낼 수 있으며, 이는 색 순도에 영향을 미칩니다. 색광은 물체가 주색과 함께 표시하는 추가 색조를 말합니다. 예를 들어, 보색은 색상 스펙트럼의 반대쪽 끝에 있습니다. 예를 들어, 파란색은 노란색으로 보색됩니다. 이를 혼합하면 백색광을 생성할 수 있으며, 이는 색광을 중화하는 효과적인 방법입니다.
탄산칼슘에서 방출되는 기본색은 원산지에 따라 다릅니다. 예를 들어:
- 쓰촨성의 탄산 칼슘은 푸른색을 기본 색상으로 가지고 있습니다.
- 광시의 탄산 칼슘은 붉은색을 기본 색상으로 합니다.
- 장시성의 탄산 칼슘도 푸른색을 기본 색상으로 가지고 있습니다.
색상을 일치시킬 때 탄산칼슘의 색상 빛은 기본 색상 색조와 일치해야 합니다. 예를 들어, 푸른 색조의 탄산칼슘은 노란색 안료의 착색력을 상쇄할 수 있습니다. 또한 제품에서 노란색 색상 빛을 중화하는 데 일반적으로 사용됩니다.
플라스틱 제품의 난시 개선: 탄산 칼슘을 첨가해도 플라스틱 제품의 광택이 향상되지는 않지만, 실제로 광택을 줄여 매트 효과를 제공합니다.
3.7 통기성 증가
탄산칼슘으로 채워진 플라스틱 필름은 늘릴 때 작은 기공을 만들어 수증기는 통과시키고 액체 수분 침투는 방지합니다. 이러한 특성으로 인해 통기성 플라스틱 제품을 생산하는 데 적합합니다. 최적의 결과를 얻으려면 입자 크기가 3000메시 또는 그보다 미세한 탄산칼슘만 좁은 입자 크기 분포와 함께 사용해야 합니다.
3.8 제품의 분해 성능 촉진
탄산칼슘이 포함된 폴리에틸렌 비닐봉지를 매립하면 탄산칼슘이 이산화탄소와 물과 반응하여 수용성 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 형성하여 필름에서 빠져나갈 수 있습니다. 이 과정은 필름에 작은 구멍을 만들어 공기와 미생물과 접촉하는 표면적을 늘려 제품의 분해를 촉진합니다.
3.9 탄산칼슘의 핵형성 역할
나노 탄산칼슘(CaCO₃)은 폴리프로필렌의 결정핵 생성에 중요한 역할을 하여 β-결정 함량을 증가시키고, 그로 인해 폴리프로필렌의 충격 인성을 향상시킵니다.
3.10 PA 플라스틱의 수분 흡수 감소
폴리아미드(PA)/탄산칼슘 복합재의 물 흡수율은 순수 PA 수지보다 상당히 낮습니다. 예를 들어, 25% 탄산칼슘을 PA6에 통합하면 복합재의 물 흡수율을 56%만큼 줄일 수 있습니다.
3.11 표면 특성 개선
탄산칼슘은 복합 재료의 표면 장력을 개선할 수 있습니다. 뛰어난 흡착 특성을 가지고 있습니다. 이는 전기 도금, 코팅 및 인쇄 품질을 향상시킵니다.
3.12 탄산칼슘이 발포에 미치는 영향
탄산칼슘이 플라스틱 소재의 발포 성능에 미치는 영향은 복잡하며 입자 크기와 사용량에 따라 달라집니다.
탄산칼슘 크기: 탄산칼슘의 입자 크기가 발포제와 일치하면 핵형성제로 작용할 수 있습니다. 이 과정은 발포에 긍정적인 영향을 미칩니다. 이상적인 입자 크기는 5μm 미만이며 응집을 피해야 합니다. 입자 크기가 10μm를 초과하거나 너무 미세하여 응집되면 발포에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 응집 없이 5μm 미만의 크기를 보장하려면 3000메시(약 4μm) 탄산칼슘을 사용하는 것이 좋습니다.
탄산칼슘이 거품을 촉진하는 메커니즘은 다음과 같습니다.
발포가스를 흡수하여 기포핵을 생성하고, 이를 통해 기공의 수를 조절하고 크기를 미세화함으로써 핵형성제 역할을 합니다.
용융물의 변형과 이동성을 늦추는 강성을 제공하여 빠른 기공 확장을 억제하고 더 미세한 기공 크기를 허용합니다. 나노 탄산칼슘은 핵형성제의 크기가 작기 때문에 미세 다공성 폼 플라스틱을 생성할 수도 있습니다.
첨가된 탄산칼슘 양: 발포 품질을 향상시키기 위한 탄산칼슘의 최적 충진량은 일반적으로 10%에서 30% 사이입니다. 너무 적게 첨가하면 핵 생성점이 충분하지 않아 발포율이 낮아집니다. 반대로 너무 많이 사용하면 핵 생성점이 더 많이 생성되면서 용융 강도가 지나치게 감소할 수 있습니다. 이로 인해 수많은 깨진 거품이 발생하고 발포율이 감소합니다.
탄산칼슘의 분산성: 탄산칼슘의 균일한 분산은 발포 품질을 촉진하는 데 필수적입니다. 균일하게 분산된 탄산칼슘은 응집이 발생하지 않도록 합니다. 입자 크기가 5μm 이내이면 발포에 부정적인 영향을 미치지 않고 효과적으로 핵형성제로 작용합니다.
탄산칼슘의 수분 함량: 무기분말의 수분함량이 0.5% 이하이면 발포에 미치는 영향이 미미합니다.
다른 속성: 탄산 칼슘은 또한 복합 재료의 내마모성과 경도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
필러의 부정적 변형
1. 복합소재의 밀도 증가
수지에 탄산칼슘을 첨가하면 복합재의 밀도가 빠르게 증가합니다. 무게, 길이 또는 면적으로 판매되는 제품의 경우 이러한 밀도 증가는 일부 비용 이점을 상쇄할 수 있습니다. 무게 증가 정도는 탄산칼슘의 종류에 따라 다르며 구체적인 밀도 순서는 다음과 같습니다.
가벼운 탄산칼슘 < 큰 방해석 탄산칼슘 < 대리석 탄산칼슘 < 백운석 탄산칼슘 < 작은 방해석 탄산칼슘.
탄산칼슘 복합 플라스틱의 밀도를 줄이는 방법:
1.1 체중 감량을 위한 제품 스트레칭:
스트레칭은 플라스틱과 탄산칼슘 사이에 변형 갭을 만들어 전체 밀도를 약간 감소시킵니다. 예를 들어, 30% 탄산칼슘으로 채워진 스트레칭된 폴리에틸렌 필름의 밀도는 1.1g/cm³인 반면, 스트레칭되지 않은 버전의 밀도는 1.2g/cm³입니다. 이 기술은 플랫 와이어, 블로운 필름, 스트래핑 테이프, 티어 필름과 같은 다양한 플라스틱 제품에 적용할 수 있습니다.
1.2 체중 감량을 위한 제품 마이크로 포밍:
필러에 흡수된 수분을 마이크로 발포에 활용하면 성능을 저하시키지 않고도 밀도를 크게 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 50% 경량 탄산칼슘 복합 소재는 필름을 생산하는 데 사용할 경우 최소 0.7g/cm³의 밀도를 달성할 수 있으며, 이는 45% 감소를 나타냅니다.
1.3 무게 감량을 위한 중공 채우기:
간단하고 비용 효율적인 무기 분말 중공 기술을 사용하면 중공 탄산칼슘 제품을 생산할 수 있으며, 이는 밀도를 크게 줄입니다. 이러한 중공 제품의 밀도는 약 0.7g/cm³로 줄일 수 있습니다.
2. 복합소재의 광택 감소
탄산칼슘의 가공 방법과 종류는 복합제품의 표면 광택에 영향을 미칩니다. 복합소재별 광택 순서는 다음과 같습니다.
- 습식공정 > 건식공정
- 가벼운 탄산칼슘 > 큰 방해석 탄산칼슘 > 대리석 탄산칼슘 > 작은 방해석 탄산칼슘 > 백운석 탄산칼슘.
3. 복합소재의 투명도 감소
탄산칼슘은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 일반적인 수지와 굴절률이 상당히 다릅니다. 결과적으로 기존 크기의 탄산칼슘 필러는 필름의 투명성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 크기가 200나노미터 미만인 나노 탄산칼슘만이 복합재의 투명성을 유지할 수 있습니다. 광파는 이러한 작은 입자를 효과적으로 우회할 수 있습니다.
4. 복합재료의 파단신율 감소
탄산칼슘의 높은 강성은 복합재의 원래 연성을 감소시킬 수 있습니다. 이 증가된 강성은 거대 분자 사슬의 이동성을 감소시켜 최종 제품의 파단 시 신장이 감소합니다.
5. 인장강도 및 충격강도 감소
많은 경우, 탄산칼슘을 첨가하면 복합재의 인장 강도와 충격 강도가 감소할 수 있습니다. 이는 특히 탄산칼슘 입자가 너무 크거나 탄산칼슘의 표면 처리가 부적절한 경우에 해당합니다. 가장 눈에 띄는 감소는 인장 강도에서 종종 나타납니다.
6. 스트레스 증가 화이트닝 현상
수지에 탄산칼슘을 많이 첨가하면 제품이 늘어났을 때 틈새와 은색 줄무늬가 생길 수 있습니다. 이는 수지의 스트레스 화이트닝을 악화시킵니다.
7. 제품 노화 가속화
탄산칼슘을 포함한 모든 무기 분말 재료는 복합 재료의 노화를 촉진하여 제품의 수명과 성능을 저하시킬 수 있습니다.
8. 재료 사이의 결합 강도 감소
탄산칼슘을 사용하면 필름의 접합 강도가 낮아질 수 있으며, 열 밀봉 강도가 감소할 수 있으며, 파이프의 용접 강도도 약화될 수 있습니다.