کلسیم کربنات، پرکننده ای برای پلیمرها

کلسیم کربنات، پرکننده ای برای پلیمرها

پرکننده‌های کلسیم کربنات برای بسیاری از کاربردها در پلیمرها، ایده آل هستند و مصرف جهانی آن‌ها بیش از میلیون‌ها تن در سال است. کلسیم کربنات در دو نوع طبیعی (GCC) با ابعاد 0.5-100µm و سنتزی یا رسوبی (PCC) با ابعاد کمتر از 100 نانومتر برای کاربردهایی که به ابعاد نانومتری نیاز باشد، مانند الاستومرها و PVC موجود است. پرکننده‌های کلسیم کربنات به‌طور گسترده در ترموپلاستیک ها، ترموست ها و الاستومرها استفاده می‌شوند.

کلسیم کربنات به فراوانی در طبیعت و از منابع معدنی مختلفی استخراج می‌شود و گاها همراه با مقادیر قابل‌توجهی از مواد دیگر خصوصاً منگنزیم کربنات (MgCO3) و دولومیت (MgCO3.CaCO3) است. این ماده در سه فرم کریستالی کلسیت، آراگونیت و واتریت و همچنین نوع آمورف موجود است. در این بین کلسیت بیشترین مصرف را به عنوان پرکننده دارد. وزن مخصوص کلسیت 2.7 می‌باشد که در مورد آراگونیت 2.8-2.9 است.

GCC به عنوان پرکننده ایده آل با کاربرد آسان و قیمت پایین شناخته شده است. قیمت پایین باعث شده است تا با بخشی از پلیمر جایگزین شود. اگرچه کاهش قیمت آنطور که در وهله نخست به نظر می‌رسد، نیست. چراکه وزن مخصوص بالا به معنی این است که 2.5 تا 3 برابر وزن پلیمری که با کلسیم کربنات جایگزین می‌شود باید کلسیم کربنات اضافه شود، تا حجم واحدی از یک جسم تولید گردد. هرچه وزن بیشتری مورد نیاز باشد قیمت بیشتر خواهد شد. بنابراین هنگام استفاده از کلسیم کربنات برای کاهش قیمت باید به این نکته توجه داشت.

تهیه GCC

بعد از استخراج از معدن مهم‌ترین فرایندها شامل خردایش، ریز کردن، جداکردن ناخالصی‌ها و در صورت نیاز پوشش دهی یا همان کوتینک و خشک‌کردن است. ریزکردن به دوصورت خشک و تر انجام می‌شود. برای سایزهای درشت روش خشک و برای سایزهای ریزتر روش‌ تر اقتصادی‌تر است. از مواد کمکی برای ریزکردن استفاده می‌شود که ممکن است در محصول نهایی باقی بماند و لازم است تا اقدامات لازم برای جداکردن ناخالصی‌ها صورت بگیرد. مانند شناور شدن کف، جداسازی مغناطیسی و … .

اصلاح سطح کلسیم کربنات

ناسازگاری سطح ابدوست و انرژی بالای آن در کلسیم کربنات با سطح ابگریز و کم انرژی پلیمر، مسئله‌ای است که باید پیش از استفاده از کلسیم کربنات به عنوان فیلر رفع گردد. برای سازگار سازی کلسیم کربنات با پلیمر، اصلاح سطح ذرات آن مورد نیاز است. برای اصلاح سطح کربنات کلسیم از اسیدهای چرب و کوپلینگ ایجنت استفاده می‌شود. متداول‌ترین اسیدچرب مورد استفاده، استئاریک اسید است. اسیدهای چرب معمولاً در مرحله پایانی فرایند کلسیم کربنات به آن اضافه می‌شوند، گرچه در هرکدام از مراحل از جمله مرحله ریزکردن قابل اضافه کردن است. در این صورت استئاریک اسید نقش کمکی برای ریزکردن خواهد داشت. اسید چرب با سطح کلسیم کربنات واکنش داده و پیوندهای نمک‌های مونواسید ایجاد می‌کند.

• کلسیم کربنات در ترموپلاستیک­ها

بیش از 60% مصرف جهانی GCC در ترموپلاستیک ها و خصوصاً PVC و پلی الفین ها صورت می‌گیرد. بیشترین مصرف در ترموپلاستیک ها نیز در PVC نرم و پلاستی سایز شده و عموماً در صنعت سیم و کابل، کف‌پوش و بخشی از صنعت فرش است. PVC نرم مقدار زیادی از پرکننده حتی بیش از 400 قسمت در 100 قسمت رزین (Phr) را پذیراست. مقدار پرکننده مورد مصرف در صنایع مختلف متفاوت است، مثلاً در صنعت عایق سیم و کابل مقدار پرکننده باید کم باشد.

PVC سخت یا همان u-PVC نیز مقدار کمتر از پرکننده (20-40 Phr) را پذیراست. بیشترین کاربرد u-PVC در اکستروژن لوله، سیستم مدیریت سیم و کابل، پنجره و دیگر پروفیل‌های ساختمانی است. فرایند کردن u-PVC به دلیل ناپایداری حرارتی دشوار است. در فرایند مربوطه، گرانول‌های پلیمری به جای اینکه در اثر ذوب به هم بپیوندند باید جوش بخورند، پرکننده‌ها در فرایند جوش اثر قابل‌توجهی دارند که باید در نظر گرفته شود. ذرات با اندازه کوچک‌تر فرایند جوش را تسریع می‌کنند ضمن آنکه در صورت کوتینگ با اسید چرب خواص مکانیکی را ارتقا می‌بخشند. با توجه به توضیحات فوق به نظر می‌رسد PCC در صنعت u-PVC بازار خوبی داشته باشد. بااین‌وجود پیشرفت‌هایی که در فرایند خردایش صورت گرفته است، باعث شده است که به دلایل قیمتی GCC بیشتر از PCC در صنعت u-PVC استفاده شود.

GCC در صنایع پلی‌پروپیلن جدای از مباحث قیمتی، به دلیل افزایش سفتی (Stiffness) بدون ایجاد تغییر در سایر خواص خصوصاً مقاومت ضربه، مهم‌ترین پرکننده است. پرکننده‌هایی مانند تالک که نسبت منظر بالایی دارند، در افزایش سفتی بسیار موثرند اما خواص دیگر را بیشتر از کلسیم کربنات تحت تأثیر قرار می‌دهند. کوتینگ با اسید چرب و ریزتر بودن ذرات کلسیم کربنات به ایجاد خواص مطلوبتر کمک شایانی می‌کند.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای مهم کلسیم کربنات فیلم‌های میکرومتخلخل یا فیلم‌های تنفسی بر پایه پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن می‌باشد. ذرات GCC برای ایجاد میکرو حفره با جدایش از فیلم هنگام کشیده شدن حین تولید استفاده می‌شود. یکی از عمده‌ترین کاربردهای فیلم‌های متخلخل تولید پوشک یک‌بارمصرف است.

• کلسیم کربنات در ترموست­ها

GCC در کاربردهای بالکی و قالب‌گیری‌های توده‌ای در ترموست ها و خصوصاً در پلی‌استر غیراشباع (UPR) استفاده می‌شود. در بسیاری از این کاربردها GCC و الیاف شیشه همراه هم استفاده می‌شوند. لازم است تا رطوبت، هزینه و جذب روغن بسیار کم باشد و عاری از ناخالصی‌های دیگر باشد. UPR گروه‌های عاملی فراوانی دارد که برهمکنش خوبی با پرکننده ایجاد می‌کند؛ بنابراین اصلاح سطحی با اسید چرب در این مورد نیاز نیست.

لازم به ذکر است که 20% مصرف جهانی کلسیم کربنات GCC در صنعت ترموست­هاست.

• کلسیم کربنات در الاستومرها

20 درصد باقی‌مانده از مصرف جهانی GCC در الاستومرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله در صنعت فرش و برای پشت فرش بر پایه لاستیک‌هایی چون SBR . GCC مورد استفاده در الاستومرها باید بسیار ریز باشد. کلسیم کربنات در الاستومرها غالباً همراه با ساید پرکن‌های تقویت‌کننده مانند الیاف شیشه، دوده یا سیلیکا استفاده می‌شود. هر دو نوع GCC اصلاح‌شده با اسید چرب و اصلاح‌نشده در الاستومرها قابل‌استفاده است.

کلسیم کربنات رسوبی

کلسیم کربنات رسوبی باوجوداینکه گران‌تر از نوع طبیعی است اما مزایای زیر را دارد:

• قابلیت تولید در اشکال کریستالی دلخواه
• خلوص بالا
• سایزهای بسیار کوچک

امروزه مزایای فوق کاربرد گسترده‌ای برای کلسیم کربنات رسوبی در صنعت کاغذ ایجاد کرده است. گرچه همچنان از نوع رسوبی در پلیمرها استفاده می‌شود؛ اما با پیشرفت در فرایند ریزکردن، امکان دستیابی به کلسیم کربنات‌های خیلی ریز از GCC وجود دارد که استفاده از PCC را در صنعت پلیمر محدود می‌کند.