Введение
Карбонат кальция (CaCO₃) — наиболее широко используемый минеральный наполнитель в резиновой промышленности. Немногие материалы могут сравниться с ним по сочетанию низкой стоимости, блеска, химической инертности и простоты в обращении. Производители используют его в шинах, подошвах обуви, конвейерных лентах, шлангах и прокладках для контроля затрат, регулирования твердости и обеспечения жестких допусков по размерам.
Однако карбонат кальция — это не один материал. Выбор марки (измельченный, осажденный, нано- или обработанный поверхностно) влияет на механические свойства, поведение при экструзии и конечную цену. В этом руководстве объясняется, как карбонат кальция используется в резине и шинах, какие преимущества дает каждая марка и как подобрать марку для вашего применения.
Почему карбонат кальция используется в производстве резины?
При производстве резиновых смесей приходится идти на компромисс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью. Полимеры, сажа, диоксид кремния, пластификаторы и технологические масла увеличивают стоимость, а карбонат кальция является одним из наименее дорогих доступных ингредиентов. Именно поэтому он является наиболее широко используемым наполнителем в резиновых изделиях общего назначения.
Карбонат кальция выполняет четыре основные функции в составе резины:
- Удлиняет полимер. Замена части базового резинового слоя или дорогостоящего наполнителя снижает себестоимость материала на одну деталь.
- Способствует повышению жесткости. Это повышает твердость и модуль упругости без увеличения веса, характерного для более крупнозернистых минеральных наполнителей.
- Улучшает технологичность. Это повышает скорость экструзии и качество поверхности, уменьшает разбухание матрицы и облегчает извлечение деталей из пресс-форм.
- Контролирует усадку. Мелкодисперсные частицы уменьшают усадку после отверждения и повышают точность размеров.
Благодаря своему белому цвету, карбонат кальция также позволяет производителям создавать светлые и цветные резиновые изделия, которые в противном случае потемнели бы от воздействия сажи.
Виды карбоната кальция для производства резиновых смесей
Эффективность карбоната кальция в резине зависит от размера частиц, распределения частиц по размерам и обработки поверхности.
Молотый карбонат кальция (GCC)
Молотый карбонат кальция (МКК) получают путем дробления и измельчения известняка или мрамора с последующей классификацией порошка. Большинство сортов резины имеют средний размер частиц (D50) примерно от 1 до 20 микрон.
GCC — самый недорогой вариант, используемый в основном для снижения затрат. Он применяется в массово производимой продукции, такой как листовая резина, напольные коврики, обувь и изделия общего назначения. Его армирующий эффект невелик, поэтому производители обычно комбинируют его с сажей или используют там, где не требуется высокая прочность на разрыв.
Осажденный карбонат кальция (PCC)
Осажденный карбонат кальция (ОКК) получают путем карбонизации гашеной извести. В результате получаются более чистые, мелкие и однородные частицы с большей площадью поверхности, чем гранулированный карбонат кальция (ГКК).
PCC обеспечивает лучшее армирование, более высокую яркость и более точный контроль размера частиц. Это наиболее распространенный выбор для белых и светлых резиновых изделий, требующих белизны, чистоты и умеренного армирования, таких как экструдированные профили, медицинская резина и уплотнения, контактирующие с пищевыми продуктами.
Нано карбонат кальция
Наночастицы карбоната кальция (нано-CaCO₃) имеют субмикронный размер, обычно от 20 до 100 нанометров в первичном выражении. Их мелкий размер и большая площадь поверхности обеспечивают полуармирующий эффект, которого нет у более крупных частиц. В рецензируемом исследовании 2023 года, посвященном смесям натурального каучука и SBR, были измерены частицы нано-CaCO₃ размером около 34 нанометров, и было установлено, что оптимальная концентрация составляет около 3,51 TP³T по весу для достижения наилучшей дисперсии и механического баланса.
При низких концентрациях (обычно менее 15 частей на 100 частей каучука) наночастицы карбоната кальция могут повышать прочность на растяжение, сопротивление разрыву и удлинение. Они также используются в качестве более дешевой частичной замены армирующих наполнителей, таких как осажденный диоксид кремния или осажденный диоксид кремния, в уплотнениях, прокладках и специальных изделиях.
Карбонат кальция с поверхностной обработкой/покрытием
Большая часть карбоната кальция, используемого в производстве каучука, подвергается поверхностной обработке, обычно стеариновой кислотой. Необработанный карбонат кальция является гидрофильным, тогда как полимер каучука — гидрофобным, поэтому они плохо смешиваются, и наполнитель плохо диспергируется.
Покрытие из стеариновой кислоты улучшает смачивание и дисперсию, позволяет использовать более высокие концентрации наполнителя, а также повышает прочность на разрыв, удлинение и прочность на растяжение. Следует отметить, что стеариновая кислота не образует химической связи с каучуком; она в основном улучшает дисперсию. Для обеспечения реальной адгезии наполнителя к матрице разработчики рецептур используют связующее вещество, такое как малеинированный полибутадиен.
Как карбонат кальция улучшает свойства резиновых смесей
Снижение затрат
Основной причиной использования карбоната кальция в рецептурах является его стоимость. В обычных резиновых изделиях его содержание обычно составляет от 20 до 100 частей на 100 частей каучука, и каждая такая часть заменяет одну часть более дорогого полимера или наполнителя. Экономия увеличивается с объемом производства, поэтому карбонат кальция доминирует в высокообъемных и чувствительных к цене продуктах.
Механические свойства
Марка наполнителя определяет его механический эффект. Крупнозернистый GCC в основном повышает твердость и модуль упругости, незначительно снижая при этом прочность на растяжение и разрыв. Наночастицы и поверхностно обработанный PCC могут улучшить прочность на растяжение, разрыв и износостойкость при правильной концентрации. Для каждого наполнителя существует оптимальная концентрация; при превышении этого значения прочность снижается.
Обработка и диспергирование
Мелкодисперсный, хорошо диспергированный карбонат кальция улучшает экструзию и каландрирование. Он сглаживает поверхность экструдированных профилей, уменьшает разбухание в матрице и способствует чистому извлечению деталей из пресс-форм. Дисперсия имеет первостепенное значение: мелкодисперсный, однородный, обработанный поверхность порошок диспергируется гораздо лучше, чем крупнодисперсный, агломерированный.
Стабильность размеров и старение
Карбонат кальция химически инертен и термически стабилен при обычных температурах вулканизации каучука. Он уменьшает усадку, улучшает стабильность размеров формованных деталей и может повысить устойчивость к старению и атмосферным воздействиям в изделиях для наружного применения.
Карбонат кальция в шинах и резиновых изделиях
Шины
В шинах карбонат кальция используется избирательно. В составах протекторных смесей для обеспечения сцепления на мокрой дороге и сопротивления качению входят технический углерод и диоксид кремния, поэтому карбонат кальция играет там меньшую роль. Он чаще используется в компонентах, не относящихся к протектору, таких как внутренний слой, каркас и боковина, в экономичных составах, где жесткость, технология обработки и стоимость имеют большее значение, чем максимальное сцепление.
Это важно: карбонат кальция — это экономичный наполнитель в шинах, а не замена армирующим наполнителям в протекторе. Понимание его применения — это разница между оптимизированным недорогим составом и составом с низкими эксплуатационными характеристиками.
Обувь и подошвы
Обувь является одним из крупнейших потребителей карбоната кальция в резине. В подошвах обуви, внешних подошвах и компаундах из ЭВА карбонат кальция регулирует твердость, снижает стоимость и улучшает качество поверхности. Наночастицы используются в подошвах премиум-класса для баланса веса и механических характеристик.
Шланги, ремни и уплотнения
В экструдированных и формованных промышленных изделиях, таких как шланги, конвейерные ленты, прокладки и уплотнения, карбонат кальция улучшает поверхность экструзии, стабильность размеров и устойчивость к остаточной деформации при сжатии при правильном составлении рецептуры. Поликарбонат кальция и нано-марки широко используются там, где требуется белизна, жесткие допуски и умеренное упрочнение.
Как выбрать правильный сорт карбоната кальция
Размер частиц (D50 и D97)
Размер частиц — наиболее важная характеристика. D50 — это медианный размер частиц. D97 — это верхний предел, то есть 97% частиц меньше этого значения. Узкое распределение обеспечивает более стабильную дисперсию и механические свойства. Для сортов каучука размер частиц D50 обычно находится в диапазоне от 1 до 10 микрон, в зависимости от того, требуется ли снижение затрат или упрочнение.
Белизна и чистота
Для белых и цветных резиновых изделий белизна и чистота имеют значение. Высокочистые сорта с низким содержанием железа и тяжелых металлов сохраняют белизну и предотвращают обесцвечивание. При покупке указывайте белизну (обычно R457 или значение Hunter L) и содержание CaCO₃.
Обработка поверхности
Как отмечалось выше, для резины почти всегда предпочтительнее использовать резину с поверхностной обработкой. Она лучше диспергируется, позволяет использовать более высокие концентрации и улучшает конечные механические свойства. Уточните у поставщика, имеет ли резина покрытие и какая система покрытия используется.
Уровни загрузки
Выбирайте концентрацию в зависимости от желаемого результата. Для снижения затрат обычно используется 50–100 частей на 100 частей каучука (phr) или больше для изделий с низкими эксплуатационными характеристиками. Для армирования используются наночастицы в количестве от 5 до 15 phr. Начинайте с низких концентраций и постепенно увеличивайте их, отслеживая прочность на растяжение, удлинение и прочность на разрыв, чтобы найти оптимальное значение.
Обработка: шлифовка и модификация поверхности имеют значение.
Качество карбоната кальция в резиновой смеси определяется еще до того, как она попадет в смеситель. Результат зависит от двух технологических этапов:
- Измельчение и классификация. Для получения высококачественного порошка резинового качества с требуемым показателем D50, узким распределением и высокой белизной необходима хорошо спроектированная схема измельчения и воздушной классификации. Системы шаровых мельниц и вертикальные валковые мельницы (ВВМ) являются двумя наиболее распространенными способами получения высококачественного порошка резинового качества.
- Модификация поверхности. Покрытие из стеариновой кислоты или связующего агента наносится в специальной системе модификации поверхности или с помощью мельницы для нанесения покрытий. На этом этапе обычный наполнитель превращается в более эффективный и хорошо диспергируемый материал.
Для производителей компаундов, стремящихся к стабильным и воспроизводимым результатам, распределение частиц по размерам и качество покрытия порошка так же важны, как и химический состав базового минерала.
Оборудование для измельчения карбоната кальция, пригодного для производства резины.
Карбонат кальция, пригодный для производства резины, определяется на этапах измельчения, классификации и нанесения покрытия, прежде чем он попадет в смеситель. Компания Epic Powder Machinery Co., Ltd. производит три машины, которые обеспечивают получение высококачественного и стабильного резинового наполнителя:
Вертикальная валковая мельница SRM
The Вальцовая мельница SRM Измельчает известняк до фракции от 325 до 2500 меш с узким распределением частиц по размерам. Модели варьируются от SRM800 до SRM1680, обеспечивая производительность от 0,5 до 20 тонн в час. Узкое распределение уменьшает количество крупных частиц, обеспечивает постоянную дисперсию и стабильные механические свойства от партии к партии.
Высокоточный воздушный классификатор HTS
The Классификатор HTS Устанавливает значения D50 и D97 для конечного порошка. Обрабатывает сухие фракции от D97 (3 микрона) до 45 микрон. Для каучука это этап, который превращает широкий диапазон размеров частиц порошка в узкий диапазон от 1 до 10 микрон, необходимый для компаундирования.
система покрытия для штифтовых мельниц
Для сортов с поверхностной обработкой, а система покрытия для штифтовых мельниц Наносит на поверхность частиц стеариновую кислоту или связующее вещество. Этот этап контролирует дисперсию и позволяет использовать более высокие концентрации без потери механических свойств.
Компания Epic Powder обладает более чем 20-летним опытом и имеет множество установок по всему миру. Системы построены с использованием ПЛК-автоматизации для непрерывной работы и износостойкой футеровки для бесконтактного измельчения.
Если вы производите карбонат кальция для резиновой промышленности, отправьте вам технические характеристики для бесплатного анализа материала и подбора раствора для измельчения, соответствующего вашему сорту: [email protected] или nonmetallic-ore.com.
Заключение
Карбонат кальция — наиболее экономичный наполнитель в резиновой промышленности, но его ценность зависит от выбора правильного сорта. Измельченный карбонат кальция позволяет снизить затраты при больших объемах производства. Поликарбонат кальция и нано-сорта придают блеск, упрочняют и обеспечивают точность для сложных применений. Обработка поверхности контролирует дисперсию и механические характеристики.
Для производителей резиновых смесей и порошков улучшение качества продукции сводится к контролю размера частиц и модификации поверхности. Если вы производите карбонат кальция для резиновой промышленности, то правильное оборудование для измельчения, классификации и нанесения покрытий — это первый шаг к получению однородного порошка высокой ценности.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Эмили Чен, Инженер