在塑料改性中，碳酸钙竟然有这么多作用？

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在塑料改性中，碳酸钙竟然有这么多作用？

张赞丽

2025-03-31

碳酸钙（CaCO₃）是一种常见的无机化合物，在自然界中，碳酸钙存在于多种形式，如方解石、石灰石、大理石等。它是许多岩石和矿物的主要成分。从化学性质来看，碳酸钙在高温下会分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO₂）。它能与酸发生反应，生成相应的盐、二氧化碳和水。那么在塑料工业中，碳酸钙发挥着哪些作用？又有哪些局限性呢？

一、提高塑料制品的强度和刚性

碳酸钙可用于提升产品的力学性能，包括刚性、抗断裂性能、拉伸强度和冲击强度等。比如在制作塑料薄膜时使用碳酸钙作为补强剂，可以提高其刚性，可以明显增加薄膜挺度，有利于薄膜平整卷曲。而对于PBS、PLA、PHA类脂肪族聚酯薄膜来说，碳酸钙的加入可以提高各向同性程度，弥补其纵向强度高、横向强度低的缺点，明显提高抗撕裂性能。

二、增加产品稳定性

提升尺寸稳定性

在塑料制品的加工进程中，鉴于冷却不均或者加工条件的变动，或许会产生内应力。碳酸钙具备较低的热膨胀系数（3.0×10^-6/℃）及低导热系数，耐热性能稳固，当作为填料添加入塑料时，能够发挥骨架支撑的作用，并降低复合材料整体的热膨胀系数，减少因温度变化引发的内应力和尺寸变化，进而提升尺寸稳定性。通常来讲，碳酸钙的尺寸稳定效果和形貌存在极大关联，球形填料的效果优良，颗粒状、片状、纤维状则稍逊一筹。

不同细度碳酸钙对PBAT力学性能的影响

提升耐热性

一些塑料制品，如PVC等热稳定性非常差，无法在较高温度下保持稳定，易分解。而碳酸钙不仅可以利用其本身良好的热稳定性，还可能阻碍有机分子链的运动，使复合材料的结晶温度逐渐升高，导致高温下的结晶度降低，明显提高了复合材料的热稳定性。

不同含量碳酸钙/PBAT复合材料熔融曲线图

三、改善表面特性

塑料薄膜的表面张力是其重要的物理特性之一，直接影响着油墨印刷、涂层附着以及与其他材料的黏接等二次加工过程。

通常来说，塑料薄膜表面张力的大小取决于表面自由能大小，但多数塑料薄膜如聚烯烃薄膜(LDPE、HDPE、LLDPE、PP)属非极性聚合物，其表面自由能小，表面湿张力较低，涂料不容易附着，而碳酸钙的加入可以改善表面粗糙度，从而增加复合材料的表面张力，并赋予优异的吸附性，因此可以改善复合材料的涂覆性和印刷性能。

四、作为成孔剂

碳酸钙颗粒可作为“致孔剂”添加进聚合物基体中，这种复合材料经流延或吹塑形成薄膜，再对其进行拉伸，可以使聚合物基体与碳酸钙颗粒之间发生界面剥离而产生了微小的孔洞（约0.01～10um），从而赋予了薄膜的透气不透水功能。

五、提升环保效益

CaCO₃可以和烟雾中的卤化氢反应，使之生成稳定的CaCl₂等，因此将碳酸钙掺杂于氯乙烯、氯磺化聚乙烯、氯丁橡胶等在燃烧时产生卤化氢的聚合物中，可达到很好的抑烟效果，同时碳酸钙在塑料形成的微小孔洞还可增大与氧气接触的可燃烧面积，有助于促使焚烧更彻底，减少黑烟的释放量。不过，由于燃烧反应属固-气非均相反应，只能在固体颗粒表面进行，所以CaCO3颗粒的粒径大小就成为抑烟效果的重要因素。只有微小颗粒才具有大得多的比表面积，碳酸钙的粒度越细，抑烟效果越好。

含有碳酸钙的聚乙烯塑料袋埋于地下后，碳酸钙有可能与二氧化碳和水反应生成可以溶于水的Ca(HCO₃)₂离开薄膜，在薄膜上留下微细的孔洞，增大塑料薄膜与周围空气和微生物接触的面积，从而促进制品降解。

六、提升发泡性能

碳酸钙可以作为成核剂，吸附发泡气体在聚合物中形成微小的气泡核，同时也可以减缓熔体变形和移动能力，从而可以抑制泡孔过快膨胀，从而使泡孔更细，促进发泡效果，生产出发泡塑料。

碳酸钙的尺寸大小和添加量对促进塑料材料发泡性能的发挥有着很大的影响，过小的粒径容易团聚，而起不到成核剂的作用，过大则无法与发泡剂匹配，因此通常需要其尺寸需要在小于5μm，但又不易发生团聚的范围内。而在添加量上，加入量太低，熔体中形成不了足够的的成核点，造成发泡倍率偏低，加入量太高，又会导致熔体强度太低，产生过多破泡，同样降低发泡倍率。

局限性

虽然碳酸钙作用很大，但是其在塑料制品中的应用也存在一些局限性，主要包括以下方面：

碳酸钙的加入可能会在一定程度上降低塑料制品的某些性能，如韧性和延展性可能会有所下降。

由于其自身的物理化学性质，碳酸钙在某些高性能、特殊要求的塑料制品中可能无法完全满足需求，例如在对透明度要求极高的塑料制品中，碳酸钙的存在可能会影响产品的透明度。

碳酸钙与塑料基体之间的相容性有时不够理想，可能导致复合材料的界面结合强度不足，从而影响塑料制品的整体性能。

此外，碳酸钙的分散性在一些情况下不易控制，如果分散不均匀，可能会导致塑料制品局部性能出现差异。