沐和粉(硅钙复合粉体)的特性及在塑料中的应用

作者：北京工商大学 刘英俊

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 沐和粉是以位于安徽宿松县境内的矿山产出的矿石为原料，经最先进的气流粉碎研磨设备和独特工艺加工制成的微细粉体材料。该种矿石是硅（Si）、钙（Ca）、镁（Mg）、氧（O）等化学元素复合而成的共生矿物。经严格检验，矿石中不含石棉且重金属含量极低（5ppm以下），是有着广泛应用前景的天然非金属矿物。 为判断该硅钙共生矿石加工成粉体后能否应用于塑料加工行业，我们对产品进行了全面的性能测试，并分别在汽车、家电零部件改性聚丙烯专用料、HDPE双壁波纹管增刚母料和聚乙烯吹塑薄膜用填充母料等改性母料及专用料中进行了应用试验。 试验及测试结果表明，沐和粉（硅钙复合粉体）具有传统滑石粉同样的增刚改性效果，而且加工流动性好、有良好的色泽和外观，是一种适合在塑料制品中使用的新型矿粉，具有广泛的应用前景和推广价值。 沐和粉（硅钙复合粉体）的技术特性 矿物组成 沐和粉（硅钙复合粉体）由硅、钙等化学元素组成的复合共生矿物加工而成，按照传统的矿物组成观念。国家建筑材料工业地质工程勘查研究院测试中心的检测结果如表1如示。 化学元素分析 沐和粉（硅钙复合粉体）所含化学元素为硅（Si）、钙（Ca）、镁（Mg）、氧（O），取自不同矿点的矿石加工而成的粉体其几种元素的含量也不尽相同。采用扫描电子显微镜—能谱仪对宿松三个矿点的化学元素种类及含量进行了定量分析，结果表明三个矿点样本中的氧（O）元素含量基本相同，约为64~65%，其它Si、Ca、Mg三种元素总和为35~36%，只是三种元素的比例略有变化，而典型的滑石粉样本中只有Si、Mg和O三种元素，不含有Ca元素。宿松三个矿点样本的Si、Ca、Mg三种元素的含量比例如表2所示。 粉体颗粒几何形态 宁波益可达新材料有限公司对沐和粉（硅钙复合粉体）三种样本用扫描电镜进行了观察拍照，并和传统滑石粉的电镜照片进行了对照。他们认为沐和粉三个样本的颗粒形态基本一致，呈不规颗粒状，其中含有一定比例的片状颗粒，而做为对比样的滑石粉颗粒为具有一定长径比的棒状结构体，片状颗粒数量很少。 北京石油化工学院提供的沐和粉颗粒及辽宁海城滑石粉颗粒的扫描电镜照片也表明，取自不同矿点矿石加工而成的、颗粒粒径1250目或2500目的沐和粉（硅钙复合粉体）都呈现出一定比例的片状结构体，而辽宁海城二氧化硅（SiO2）含量高达50~60%的滑石粉（通常以SiO2含量高低做为评判滑石粉档次的依据）反而呈现出“球状或片状”微细颗粒组成的松散聚集体，其片状结构特征远不如沐和粉（硅钙复合粉体）。 粒度及粒径分布 宿松沐和矿业有限公司采用具有国际先进水平的气流粉碎研磨设备将天然复合共生的硅、钙、镁、氧等元素组成的矿石加工成粒径微细的粉体，极大限度地保留了对粉体材料增强起至关重要作用的片状结构，而且由于粉碎研磨设备先进，工艺技术得当，所得到粉体粒径最大值得以精确控制，粒径分布窄，对粉体在塑料材料中发挥填充改性作用十分有利。 宁波益可达新材料有限公司对三种沐和粉颗粒粒径大小及分布测试结果如表3所示。 宁波益可达新材料有限公司的试验评价报告指出，沐和粉（硅钙复合粉体）三个样本的粒度约为7~9μm，粒度分布几种样本中除沐和粉3#较窄外，其它两种和对比用滑石粉相似。 密度 宁波益可达新材料有限公司对沐和粉（硅钙复合粉体）及对比用滑石粉的真实密度和堆积密度进行了测试，其结果见表4。 从表4数据看出沐和粉（硅钙复合粉体）与该公司在线使用的滑石粉相比，堆积密度稍大一些，而真实密度除3#粉稍低外，另外两种（1#和2#）粉基本上与对比用滑石粉相同。 白度 宁波益可达新材料有限公司对沐和粉（硅钙复合粉体）的白度进行了测试，结果表明所有沐和粉（硅钙复合粉体）的白度都高于对比用滑石粉的白度（见表5）。 吸油值 吸油值是指在规定的测试条件下100g粉体所能吸附的试剂的数量。填充的塑料不同种类和不同用途时，所希望的粉体材料吸油值大小可以不同。对制作聚烯烃塑料改性填充母料或改性专用料而言，粉体的吸油值宜低不宜高。宁波益可达新材料有限公司对沐和粉（硅钙复合粉体）及对比用滑石粉的吸油值进行了测定，结果如表6所示。 从表6数据可知，沐和粉（硅钙复合粉体）与在线使用的滑石粉具有同档次吸油值。 粉体表面处理 参与本试验评价工作的三个单位分别使用了铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂对沐和粉（硅钙复合粉体）进行表面处理，结果表明按照正在生产中使用的滑石粉表面处理工艺，可以得到与滑石粉表面处理相同的活化结果。 沐和粉（硅钙复合粉体）在汽车、家电零部件用改性聚丙烯专用料中应用的可行性 广东天保新材料有限公司是专业生产汽车保险杠等汽车零部件用改性聚丙烯专用料的企业，长期使用辽宁海城知名企业的滑石粉产品，应宿松沐和矿业公司要求，该公司将沐和粉（硅钙复合粉体）代替在生产中使用的海城产滑石粉，在完全相同的配方和加工工艺条件下进行混炼造粒，其改性聚丙烯材料的性能如表7、表8所示。 广州市聚赛龙工程塑料有限公司是一家专业生产家电零部件用改性塑料专用料的企业，改性用的滑石粉产自广西龙胜，是国内著名的滑石矿产地，其SEION滑石粉为二氧化硅含量高的高档粉体产品。该公司在相同条件下将沐和粉等量代替SEION滑石粉，在均聚聚丙烯和共聚聚丙烯树脂中应用，改性聚丙烯塑料材料的力学性能见表9、表10. 从上述几个表中的数据可以看出，沐和粉可以替代传统滑石粉在汽车、家电零部件用改性聚丙烯专用料中使用，而且在新料、回料、均聚树脂、共聚树脂做为基料时都表现出同样的改性作用。 沐和粉（硅钙复合粉体）在HDPE波纹管中应用的可行性 宁波益可达新材料有限公司是为HDPE双壁波纹管制作增加管材环刚度的改性母料专业生产企业，长期使用国内著名产地和厂家的滑石粉做为增刚改性母料的主要成分。该公司在全面剖析沐和粉（硅钙复合粉体）的技术特性后，在同样条件下，对沐和粉与在线使用的滑石粉在HDPE双壁波纹管增刚改性母料中的增强效果进行了试验和测试，结果如表11所示。 从表11的数据可以看出，在同样条件下，用沐和粉（硅钙复合粉体）等量替代正在生产中使用的滑石粉，所得的填充HDPE塑料的性能大体相当，沐和粉填充的HDPE塑料呈现出比传统滑石粉填充的HDPE塑料更高的断裂伸长率和缺口冲击强度，热变形温度也更高一些。 该公司将上述矿粉在同样条件下制成含量为80%的填充母料，在按矿粉最终在HDPE管材中含量为20%的比例填加到HDPE树脂中制成波纹管，按照GB/T 9647-2003《热塑性塑料管材环刚度的测定》标准进行测试，四种矿粉填充的管材环刚度均能达到4级。表明沐和粉（硅钙复合粉体）完全可以按使用传统滑石粉的方法在HDPE波纹管中使用。 潍坊玉塑管业有限公司在以回收再生料为原料的HDPE双壁波纹管中使用以沐和粉（硅钙复合粉体）制成的改性母料，并与使用碳酸钙母料的管材进行环刚度对比测试，其结果如表12、表13所示。 从表12和表13数据可以看出，因所使用回收再生HDPE料有所不同，管材的环刚度值不尽相同，使用矿物粉体材料（重钙、沐和粉）都可以提高HDPE波纹管的环刚度，在相同条件下，沐和粉对HDPE波纹管环刚度的提高功效更加显著。 沐和粉（硅钙复合粉体）在聚乙烯薄膜中应用的可行性 在聚乙烯薄膜中添加适量的重钙可以起到节约石油资源，降低塑料薄膜原材料成本，改善其表面印刷性能等多重作用，已得到广泛使用。 北京大正伟业塑料助剂有限公司以沐和粉（硅钙复合粉体）为原料替代常用的重钙粉制成填充母料，再填充到聚乙烯中吹塑成膜，并与同样条件下制成的重钙填充母料填充的聚乙烯薄膜进行对比，其结果如表14所示。 从表14数据可以看到，在相同条件下沐和粉填充的聚乙烯薄膜较重钙填充的聚乙烯薄膜具有更好的力学性能。以沐和粉为主要成分制成的填充母料因使用的粉体粒径不同（母料A对应的粉体粒径为1250目，母料B对应的粉体粒径为2000目），填充薄膜的力学性能也有差异，粒径细的沐和粉填充的聚乙烯薄膜力学性能优于粒径粗的沐和粉填充效果。 沐和粉（硅钙复合粉体）在塑料加工行业中推广前景及重要意义 改革开放以来，我国塑料加工业获得持续快速发展，已成为全世界范围内的生产大国和消费大国，正在朝着世界强国大步迈进。 我国非金属矿资源丰富。在塑料中科学地、适量添加非金属矿物粉体材料具有极其重要的意义，既可以降低原材料成本，又可少用以石油为原料制造的高分子树脂，还能改善塑料材料及制品某些方面的性能或增加高分子材料本不具有的功能，在当今倡导科学发展观、实现可持续发展的时代，建设资源、能源节约型和环境友好型社会，非金属矿物粉体材料在塑料中应用具有广阔的市场前景和显著的经济社会效益。 滑石粉是塑料改性用的重要非金属矿粉体材料，目前塑料加工行业每年使用1200万吨非金属矿粉体材料，滑石粉约占总量25%即达到300万吨左右。 我国是滑石及滑石粉的重要生产大国，消费大国，同时也是世界上重要的出口大国。由于我国滑石开采历史悠久，加之多年来的过渡开采，多地传统滑石产地面临资源枯竭的局面，尤其是高档滑石日渐稀少。目前市场上流通的滑石粉已和几十年前的同类产品在成分上大不相同，而且价格一路飚升，高档滑石粉售价已从近千元/吨涨到数千元/吨。 滑石的化学名称为水合偏硅酸镁，分子式为Mg3Si4O10(OH)2。纯滑石中SiO2占63.47%，MgO占31.68%，H2O占4.75%。商品流通过程中往往将SiO2含量当成水合偏硅酸镁即滑石含量的标志，“SiO2含量越高，则滑石的档次越高”成为业内共识。 众所周知，滑石粉在塑料中起到增加材料刚性的作用取决于它的层状基本结构单元，即两层由硅（Si）原子和氧原子构成的四面体夹着一层由镁（Mg）原子、氧原子（O）和羟基构成的八面体。实际上颗粒的这种片状形态越明显，所占的比例越高，其粉体在塑料基体中分散又好的话，对填充体系的刚性（弯曲强度和弯曲模量）贡献越大。 多样性和复杂性是滑石的显著特点，也就是说世界上找不到两块完全相同的滑石。实际上滑石只是一种很宽阔范围的矿石的总称，不同的矿石在纯度、形态及应用后所表现的作用都不尽相同。自然界中存在滑石都是多种矿物的共生体，只不过按照化学元素的种类和含量区分滑石的纯度而已。 另一种经常使用判断指标是烧失量，认为烧失量低于8%才是高档的滑石，增刚作用显著的其烧失量应当在6.5%以下。由于与滑石共生的矿物种类很多，此种判断方法不能适用于所有情况。 位于安徽省宿松县的矿山出的矿石与传统意义上的滑石矿石有所不同，虽然按照化学元素的种类和含量推断为滑石、方解石、白云石和石英的天然复合共生矿物，因有钙（Ca）元素的存在且占一定比例，这与传统的标准滑石矿有所不同，但能否在塑料中做为增刚性填料应用主要取决于其粉末颗粒是否呈现片状形态。 通过扫描电镜观察和能谱分析，表明沐和粉颗粒中有片状结构形态的粒子存在，沐和矿业有限公司的先进设备和加工技术使得这种片状结构得以完好地保留，为在塑料中应用起到增强增刚作用奠定了坚实基础。我们认为将具有多种元素组成的多种化合物天然复合共生而成的矿物加工制成的粉体称之为硅钙复合粉体，有别于传统意义上的滑石粉和方解石粉，是完全正确的，也是十分必要的。 通过对该新型矿物粉体的加工及应用试验，可以得出如下结论： ★采用先进的气流粉碎、研磨、分级设备，可将硅钙、镁等多种元素组成的化合物天然复合共生的矿物制成粒度为1250目或更细小的粉体，同时最大限度地保持住粉体颗粒的片状形态。 ★硅钙复合粉体在塑料加工行业中可以用于传统滑石粉改性的材料及制品的领域，使用的方法和工艺与滑石粉相同。 ★硅钙复合粉体在塑料材料制品中的改性效果基本与传统滑石粉的改性效果相当，但较之滑石粉改性塑料材料，硅钙复合粉体改性塑料的断裂伸长率更高。 ★经SGS（通标标准技术服务公司）检测中心检测，硅钙复合粉体不含石棉，铝、镉、汞、砷等有害元素的含量极低，可在塑料加工过程及使用过程中确保安全无害。 ★为便于宣传，宿松沐和矿业有限公司制作的硅钙复合粉体商业名称称之为“沐和粉”。 综上所述，“沐和粉”（硅钙复合粉体）是一种全新的非金属矿物粉体材料，在塑料加工行业中具有广泛的用武之地和光明的市场前景，“沐和粉”（硅钙复合粉体）的问世和推广应用将产生显著的经济和社会效益！

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