塑料用重質碳酸鈣產品精細化與立式磨工藝研究

張志宇，秦廣超，遲 源，李金榮，張新江，鄧小林

（合肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051）

塑料用重質碳酸鈣產品精細化與立式磨工藝研究

張志宇，秦廣超，遲 源，李金榮，張新江，鄧小林

（合肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051）

本文介紹了重質碳酸鈣在塑料行業(yè)的應用發(fā)展，分析了塑料用重質碳酸鈣產品精細化生產過程中的原料選擇、加工設備和生產工藝等主要因素，在原料滿足要求前提下，加工設備與工藝的正確選擇至關重要。結果表明，立式磨等節(jié)能裝備及工藝促進了塑料用重質碳酸鈣產品精細化開發(fā)。

重質碳酸鈣；精細化加工；立式磨；節(jié)能；塑料

2008年全國重質碳酸鈣(以下簡稱重鈣)總產量約1 200萬t，其中塑料行業(yè)使用量約480萬t。重鈣價格低廉、白度高、化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好，而成為塑料工業(yè)中的首選填料，廣泛應用于塑料薄膜、型材、管材、塑編拉絲和人造革等塑料工業(yè)生產中。

重鈣產品精細化，首先必需保證加工設備與工藝滿足重鈣產品精細化加工的要求，其次要根據(jù)塑料行業(yè)對重鈣產品的白度、細度、雜質含量、粒度分布、吸油值、顆粒形態(tài)、晶型構造、活性化等理化指標要求選擇原料，在各自適應的塑料行業(yè)中實現(xiàn)重鈣產品的價值和價格優(yōu)勢，提高產品附加值。

本文首先從重鈣在塑料行業(yè)的應用及要求入手，探析塑料用重鈣產品精細化開發(fā)的要求和方向；其次通過立式磨生產重鈣實踐，論證了立式磨裝備及其工藝技術符合重鈣產品精細化開發(fā)，并且實現(xiàn)了重鈣等非金屬礦粉體加工的高效節(jié)能。

1 塑料用重鈣產品精細化開發(fā)

1.1 塑料用重鈣產品要求

(1) 白度。

白度的高低主要影響填充塑料制品的色澤、外觀，并不影響材料的力學性能和加工性能。白度越高，對填充塑料著色的影響越小；性能相同條件下，白度高更具有競爭優(yōu)勢。塑料用重鈣原則上要求白度越高越好，如普通塑料用重鈣的白度要求＞92%，高檔塑料填充母粒用重鈣的白度要求達到95%。

(2) 雜質含量。

雜質含量的高低不僅影響填充塑料制品的色澤、外觀，還對材料的力學性能和加工性能產生影響。塑料行業(yè)用重鈣原則上要求雜質含量越低越好，碳酸鈣含量越高越好，影響塑料的主要雜質指標有：Fe2O3、MgO、SiO2等。

Fe2O3含量高會影響重鈣粉的色澤，易發(fā)黃，特別是在進行表面處理時與硬脂酸等酸性物質結合，在高溫條件下極易發(fā)黃，同時鐵離子可加速塑料老化。MgO含量高的重鈣粉會發(fā)灰，如含白云石的重鈣粉加入聚乙烯和聚丙烯類塑料中會使整個填充物呈現(xiàn)灰色，因為白云石的主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂。SiO2的存在，可能使聚氯乙烯發(fā)生輕度交聯(lián)或引發(fā)熱降解，降低其熱穩(wěn)定性；再者重鈣粉中硅含量高會導致顆粒硬度增大，對塑料加工機械的磨損影響較大，例如用含硅高的重鈣粉制作的填充母料用于聚丙烯扁絲生產時，分切刀片易磨損。

(3) 粒度及其分布。

粒度及其分布是衡量重鈣產品檔次的一個重要指標，主要影響材料的力學性能。理論上來說，塑料用重鈣粉粒徑越細填充到塑料中可使制品強度大大提高，但實際應用并非如此。重鈣粒徑越細、比表面積越大，表面能就越大，原生粒子極易團聚以多聚集態(tài)(凝集體)形式加入樹脂中，分散不均勻，難以形成穩(wěn)定的界面，使產品性能下降。因此，塑料用重鈣要求細度適當，并非越細越好，目前常用的重鈣粉粒度普遍為400～1 250目，400～800目約占65%的市場份額、800～1 250目約占30%、1 250目以上約占5%～10%。

對填充塑料來說，在同樣填充比例條件下，所用的填料粒徑越細，其填充塑料的力學性能越好，但是，其前提是重鈣顆粒在塑料基體中需均勻分散。塑料用重鈣的粒度分布要求不一，如注塑制品要求填充材料有良好的流動性，細粉含量少、粗粉含量高的重鈣有助于填充材料的加工流動性，前提是保證產品d100指標的條件下，平均粒徑大些為好。

粒度及其分布的指標，不僅要求其d97、d100指標，還要求其產品的2μm含量、平均粒徑d50和比表面積等，因為這些指標間接反映了重鈣粉的分散性好壞和吸油值高低。

(4) 顆粒形態(tài)與晶型的影響。

重鈣的顆粒形態(tài)對塑料的填充與改性影響較大，如纖維狀、薄片狀對聚氯乙烯復合材料機械強度有利，但對成型加工性能不利；而球形填料與之相反，可提高材料成型加工性能，但降低了材料機械強度。晶型構造的影響已經(jīng)在行業(yè)內開始受到關注，一般來說，細粒狀他形、半自形變晶，等粒狀或塊狀結構的天然方解石生產的重鈣粉更受塑料行業(yè)青睞。

(5) 吸油值影響。

塑料用重鈣原則上要求其吸油值越低越好，因為吸油值高會把增塑劑吸收到填料中，使其失去增塑樹脂的作用，為了使材料達到一定的柔韌度又必需加大增塑劑用量，造成成本升高。國內某企業(yè)的塑料用重鈣，其吸油值要求如表1所示。

表1 塑料用重鈣吸油值的要求

(6) 水分和低分子物質的影響。

水分和低分子物質對任何塑料制品都是一大忌，因為水分和低分子物質使制品表面產生缺陷和皺紋，嚴重時會使制品內呈蜂窩狀或物料輸送產生架橋斷料，不僅影響制品的力學性能，還影響制品外觀。

1.2 塑料用重鈣的原料選擇

由上述指標要求可見，重鈣產品的精細化開發(fā)也帶來了其原料的合理開發(fā)與選擇。重鈣的白度、雜質含量和晶型結構主要取決于原礦資源的品位，同時也與重鈣加工設備及其工藝有一定關系。重鈣的顆粒形態(tài)、粒度及其分布主要與加工設備與工藝技術條件控制有關。因此，塑料用重鈣原料的選擇，需結合重鈣加工設備與工藝條件，對原礦的晶型構造、白度及CaCO3、MgO、Fe2O3、Al2O3、鹽酸不溶物含量等指標進行考察，目的是使原料物盡其用，生產符合市場需求的重鈣產品，從而達到合理利用原礦資源、提高原礦和重鈣產品的附加值的目的[2-3]。

2 立式磨與重鈣產品精細化

目前超細重鈣實現(xiàn)產業(yè)規(guī)模化和產品精細化生產的主流工藝有兩種：①立式磨+二次或三次分級；②球磨機+一次或二次分級。而塑料用重鈣的加工尤以立式磨+二次、三次分級工藝居多，也是目前比較成熟的重鈣生產工藝。該工藝所生產的重鈣產品不僅深受塑料和造紙等下游應用企業(yè)的歡迎，更有利于塑料行業(yè)功能化的發(fā)展。

2.1 立式磨工藝與產品結構精細化

下面以國內某重鈣加工企業(yè)的立式磨工藝為例進行具體說明，其工藝流程設計如圖1所示。

由圖1可見，該工藝屬于典型的立磨+三次分級工藝，其中方案一和方案二的選擇，主要是根據(jù)塑料行業(yè)對重鈣產品的需求不同，在實際生產過程中確定生產方案。方案一和方案二的工藝及產品結構分別如圖2、圖3所示。

由圖2可見，方案一的工藝和產品設計思路是：首先立式磨磨出325～800目的普通重鈣粉，普通粉經(jīng)1#分級機分出800～1 250目超細粉，超細粉再經(jīng)2#分級機分出1500～2 500目超微細粉，分級下品1通常作為普通塑料填料，分級下品2的應用需根據(jù)其中的細粉含量情況，確定是用做普通塑料填料還是造紙濕法磨原料。

由圖3可見，方案二的工藝和產品設計思路是：首先立式磨磨出325～800目的普通重鈣粉，普通粉經(jīng)1#分級機分出1250～2 500目超細微粉。下品1的處理，在實際生產中，更多的是根據(jù)下游客戶對下品1的細粉要求確定是否進行再次分級，如需再次分級，更多的是將下品1經(jīng)2#分級機分出800～1 250目超細粉，而分級后的下品2更多的是用做造紙濕法磨原料。

2.2 產品質量及其應用分析

下面列舉該公司立式磨使用同一方解石原料生產的兩種重鈣產品粒度分布、理化指標及其產品電耗情況，結果如表2所示(注：①粒度數(shù)據(jù)依據(jù)該企業(yè)使用的丹東百特BT-9300H激光粒度分析儀的檢測結果；②方解石原料的Fe2O3含量為0.048%，原料的自然白度為93.0%)。

表2 產品質量分析與產品電耗

由表2可見，其1000-1和800-2樣品具有粒度分布窄、頂點切割好和細粉含量易于控制合理等特點。據(jù)下游使用客戶反映，該重鈣產品的白度、雜質含量等理化指標均符合塑料用重鈣產品的要求。在d97、d100指標近似的條件下，立式磨工藝出品的重鈣粉與球磨機工藝出品的重鈣粉相比，從理化特征來看，具有粒度分布窄、細粉含量適中、顆粒形態(tài)扁平的特點；從應用的角度來說，立式磨出品的重鈣粉具有產品流動性好、分散性好、吸油值低優(yōu)勢。該粉特別適宜于提高塑料材料的機械強度和造紙行業(yè)涂布需求。

目前立式磨磨出的重鈣粉在塑料行業(yè)的應用分為：塑料管道用重鈣通常為300～500目；PVC電纜料325～600目；人造革用重鈣通常為400～600目；塑編用重鈣通常為600～1 250目；高檔塑膠母料更多是要求1250～2 000目(其中又根據(jù)細粉含量不同分為中、高檔)。

從一定意義上來說，立式磨及其工藝適應并促進了塑料用重鈣產品精細化開發(fā)。

2.3 立式磨的高效節(jié)能

從塑料用重鈣產品加工來看，在滿足塑料市場對產品性能及其精細化發(fā)展要求的條件下，就看加工設備是否節(jié)能，節(jié)能就意味著經(jīng)濟效益的提高。由表2中立式磨工藝的產品能耗可見，立式磨工藝生產的800目產品比球磨機工藝節(jié)省約25%的電耗。以年產5.0萬t重鈣生產線為例，按每度電價0.55元計算，每年節(jié)省電費約70萬元。

2.4 立式磨工藝應用情況

該工藝在我國臺灣省、東南沿海及內地已經(jīng)廣泛推廣應用，而這些地區(qū)大部分雷蒙磨等使用廠家為了適應重鈣產品精細化發(fā)展，也紛紛效仿上二次、三次分級改造或者直接采用立式磨加二次、三次分級生產技術。馬來西亞、印尼和日本等國家早在20世紀80年代就普遍采用立式磨及其類似工藝，而且立式磨在這些地區(qū)的應用遍布重鈣、白云石、葉蠟石和重晶石等非金屬礦。

據(jù)下游使用行業(yè)反映，立式磨所生產的產品粒度具有分布窄、分散性能好、流動性好、白度高的優(yōu)點，而且單機生產能力大、單位產品能耗低。

根據(jù)目前我國塑料用重鈣產業(yè)發(fā)展的實際情況及非金屬礦節(jié)能減排要求，推廣應用立式磨加二次、三次分級生產技術，是較好解決目前重鈣及非金屬礦行業(yè)高能耗和技術設備落后的有效辦法。

3 結語

在我國塑料工業(yè)中已顯現(xiàn)出用重質碳酸鈣取代輕質碳酸鈣的趨勢。然而，目前在我國塑料工業(yè)生產中所使用的重質碳酸鈣與輕質碳酸鈣數(shù)量之比約為5∶1，遠未達到國際上的(14～18)∶1的比例。為此，需加快塑料用重鈣產品精細化發(fā)展，這不僅要求加工企業(yè)對原礦品質的慎重選擇，更要注重加工設備與工藝的選擇。立式磨裝備與配套工藝選型為其產品精細化發(fā)展和產品附加值的提高，奠定了堅實基礎。

立式磨裝備及其工藝生產的重鈣產品不僅可以滿足塑料市場對產品性能的要求，還促進了塑料用重鈣產品精細化和規(guī)模化發(fā)展，適應市場對中高端精細化產品的需求。

立式磨裝備及技術是國家大力倡導的節(jié)能降耗新技術，作為近年來干法超細粉碎技術的主要進展之一，符合重鈣等非金屬礦加工要求單位產品能耗低、產品白度高的原則。

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Study on Refining Ground Calcium Carbonate in Plastic and Vertical Roller Mill Technology

ZHANG Zhi-yu, QIN Guang-chao, CHI Yuan, LI Jin-rong, ZHANG Xin-jiang, DENG Xiao-lin
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

This paper introduced prospects and application of ground calcium carbonate in plastic. In exploitation of refining ground calcium carbonate, raw material choosing, device characteristics and engineering technology are analysed and studied as main factors. Based on choosed raw material that satisfied all requirements, device choosing and engineering technology are very important.Results showed that vertical roller mill and its technology made progress in exploitation of refining ground calcium carbonate in plastic.

ground calcium carbonate; fine; vertical roller mill; energy saving; plastic

P619.223;TD921.4

A

1007-9386(2010)05-0045-03

2010-08-11