碳酸钙的定义、分类和性质
碳酸钙的定义
碳酸钙是一种无机化合物，是石灰岩石（简称石灰石）的主要成分，其分子式为CaCO3，分子质量为100.09。其中氧化钙(CaO)占56.03%，二氧化碳（CO2）占43.97%。
碳酸钙的分类
1、按生产方法分类
根据碳酸钙生产方法的不同，可以将碳酸钙分为轻质碳酸钙、重质碳酸钙和活性碳酸钙。
（一）、轻质碳酸钙 又称沉淀碳酸钙，简称轻钙，是将石灰石等原料煅烧生成石灰（主要成分为氧化钙）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分是氢氧化钙），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后经脱水，干燥和粉碎而制得。由于轻质碳酸钙的沉降体积（2.4～2.8mL/g），比重质碳酸钙的沉降体积（1.1～1.4mL/g）大，所以称之为轻质碳酸钙。
（二）、重质碳酸钙 简称重钙，是用机械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白垩、贝壳等而制得。由于重质碳酸钙的沉降体积比轻质碳酸钙的沉降体积小，所以称之为重质碳酸钙。
（三）、活性碳酸钙 又称改性碳酸钙，表面处理碳酸钙，胶质碳酸钙或白艳华，简称活钙，是用表面改性剂对轻质碳酸钙或重质活性钙进行表面改性而制得。由于经表面改性剂改性后的碳酸钙一般都具有补强作用，即所谓的“活性”，所以习惯上把改性碳酸钙都称为活性碳酸钙。
2、按粉体粒径分类
碳酸钙产品是一种粉体，根据碳酸钙粉体平均粒径（d）的大小，可以将碳酸钙分为微粒碳酸钙（d>5um）、微粉碳酸钙(0.1um<d≤5um)、微细碳酸钙（0.1um<d≤1um）、超细碳酸钙（0.02um<d≤0.1um）和超微细碳酸钙（d≤0.02um）。
（1）、轻质碳酸钙的粉体特点
a．颗粒形状规则，可视为单分散粉体，但可以是多种形状，如纺锤形、立方形、针形、链形、球形、片形和四角柱形。这些不同形状的碳酸钙可由控制反应条件制得。
b.粒度分布狭窄。
c.粒径小，平均粒径一般为1～3um。要确定轻质碳酸钙的平均粒径，可用三轴粒径中的短轴粒径作为表观粒径，再取中粒径作为平均粒径。以后除说明外，平均粒径，即指平均短轴粒径。
（2）、重质碳酸钙的粉体特点
a. 颗粒形状不规则，是多分散粉体。
b. 粒径分布较宽。
c. 粒径大，平均粒径一般为5～10um。要确定重质碳酸钙的平
均粒径，需要测定粒径分布函数和诸如颗粒沉降速度或比表面积之类的粉体现象函数。作为一种简单的方法是在电子显微镜照片上测量颗粒投影的长度和宽度，计算几何平均粒径作为表观粒径，再取中位粒径作为平均粒径。
（3）、活性碳酸钙的平均粒径取为表面改性前轻质碳酸钙或重质碳酸钙的平均粒径。
3．按微观排列分类
根据组成碳酸钙的原子和离子的排列是否有规律，可以将碳酸钙分为晶体碳酸钙和非晶体碳酸钙。
4．按结晶形状分类
根据碳酸钙结晶形状的不同，可将轻质碳酸钙分为纺锤形碳酸钙、立方形碳酸钙、针形碳酸钙、链形碳酸钙、球形碳酸钙、片形碳酸钙和四角柱形碳酸钙。这些不同结晶的碳酸钙可由控制反应条件制得。重质碳酸钙则为不规则形碳酸钙。活性碳酸钙的形状一般为表面改性前轻质碳酸钙或重质碳酸钙的形状。
碳酸钙的性质
1．物理性质
（a）密度 各种碳酸钙的同质异构体的密度不同。密度平均值为2.710g/cm³，霰石为2.929g/cm³，球霰石为2.650g/cm³。
（b）硬度 方解石的莫氏硬度为3，霰石的约为3.5～4。
（c）强度 只可测出方解石根据直径d(mm)不同，经多大力p(kgf=9.8N)就压碎。直径在0.1～2mm之间时关系为p=0.95d 0.091d²。
（d）分解温度 在常压下，方解石的分解温度为898℃，霰石的分解温度为825℃，球霰石则在温度升到分解温度之前已转变为方解石，所以球霰石的分解温度不存在。
（e）熔点 在较大的压力范围内，方解石在温度升到熔点之前已分解为氧化钙和二氧化碳，所以在较大压力范围内，方解石的熔点不存在。当压力为10.4Mpa时，方解石的熔点为1339℃。由于霰石在高温高压下会转变成方解石，所以霰石的熔点不存在。球霰石是不稳定型，其熔点也不存在。
（f）浓度积、溶解度和PH值 各种碳酸钙的同质异构体的浓度积是相同的。在25℃时，碳酸钙在水中的浓度积为8.7×10ˉ9。碳酸钙在冷水（25℃）和热水（100℃）中的溶解度（100克水中溶解克数）分别为0.0014和0.0020。在常温下，碳酸钙水溶液的PH值为9.5～10.2。水中如溶解有二氧化碳，则碳酸钙的溶解度会增大。在常温下，在被空气饱和的水中，碳酸钙水溶液的PH值为8.0～8.6。
（g）热膨胀系数 方解石的热膨胀系数取决于测量的方向。在常温下，平行于c轴方向的热膨胀系数约为2.5×10ˉ6℃ˉ¹，垂直于c轴方向的热膨胀系数约为5×10ˉ6℃ˉ¹，而垂直于菱面体晶格的热膨胀系数约为11×10ˉ6℃ˉ¹在常温下，霰石在晶轴a、b和c方向的热膨胀系数αa、αb和αc约为10×10ˉ6℃ˉ1、16×10ˉ³℃ˉ1和32×10ˉ³℃ˉ1
（h）比热容 方解石和霰石在普通温度和较高温度下的比热容差别不大，在1200℃以内的平均定压比热容Cp=0.8257 0.000762KJ/(kg· k)
2．化学性质
(1)在常压下加热到898℃（方解石）或825℃（霰石）时，碳酸钙将分解成氧化钙（Ca0）和二氧化碳（CO2）:
CaCO3===CaO CO2↑
(2)碳酸钙几乎与所有的强酸发生反应，生成相应的钙盐，同时放出二氧化碳。如：
CaCO3 2HcL===CO2 CaCL2 H2O
(3)碳酸钙在含二氧化碳的水中的溶解度比在无二氧化碳的水中高得多，这是因为这时碳酸钙生成了比较易溶的碳酸氢钙（Ca(HCO3)2）:
CaCO3 H2O CO2===Ca(HCO3)2
(4)碳酸钙可以形成6个水的水含物CaCO3•6H2O,可通过往单蔗糖钙溶液中通入CO2而制得。普通碳酸钙则不形成水合物。
(5)除酸以外,许多腐蚀性物质都不能腐蚀或者只能缓慢地腐蚀碳酸钙。
轻质活性钙的制造过程
轻质活性钙的定义和分类
活性碳酸钙，又称改性碳酸钙、胶质碳酸钙或白艳华，简称活钙，是用表面改性剂对轻质碳酸钙或重质碳酸钙进行表面改性而制得。表面改性剂一般是具有两亲基团的有机物（如高级脂肪酸、表面活性剂、偶联剂等）。经表面改性剂改性后的碳酸钙一般具有粒径小、吸油值低、分散性好、能补强等优点，但主要的优点是具有补强性，即所谓的“活性”，所以习惯上将改性碳酸钙均称为活性碳酸钙，将改性过程称为活化过程。
根据活性碳酸钙所用原料的不同，可将活性碳酸钙分为活性轻质（沉淀）碳酸钙和活性重质碳酸钙。根据活性碳酸钙粒径的大小，可将活性碳酸钙分为活性普通碳酸钙、活性微细碳酸钙和活性超细碳酸钙。根据表面改性剂的不同，可将活性碳酸钙分为各种反应的活性碳酸钙。
活化原理
水和油是互不相溶的，因为水是无机物，油是有机物。尽管精心振荡混合，它们最终还是会分成两层。水在下，油在上。但如果将表面活性剂加到水和油的混合溶液中，表面活性剂的亲水基与水分子结合，亲油基和油分子结合，这样通过表面活性剂的“桥梁”作用，把本来互不相溶的水和油融合在一起，使水滴可以稳定地分散在油中或油滴可以稳定地分散在水中。
对于碳酸钙（固体无机物）和高聚物（橡胶和塑料等，固体有机物），也可以通过具有两亲基团的有机物（表面改性剂，即高级脂肪酸、表面活性剂、偶联剂等）的“桥梁”作用，把它们融合在一起，使碳酸钙更好地分散在高聚物中，并具有一定的补强性。
活化原理即活性碳酸钙的生产原理，就是要将表面改性均匀地涂覆到碳酸钙颗粒的表面，使碳酸钙表面有一层表面改性剂的单分子层，表面改性剂的亲水基团与碳酸钙表面进行类似化学键的结合，表面改性剂的亲油基团则定向排列于活性碳酸钙的表面。
工艺流程
工艺上常用的活性碳酸钙的生产工艺流程有两种，一是湿法生产工艺流程，另一是干法生产工艺流程。两中流程各有优缺点：湿法生产工艺优点是活化均匀，缺点是投资大、成本高，对活化剂的要求也高。干法生产工艺优点是投资少、成本低，对活性剂的要求不高，缺点是活化不太均匀。
1． 湿法生产工艺流程
工艺流程是以轻质碳酸钙的生产工艺流程为基础，所以只能用来生产活性轻质碳酸钙。该工艺流程与轻质碳酸钙的生产工艺流程区别主要有两点，一是增加了活化步骤，另一是用板式干燥器代替转筒干燥器。
将轻质碳酸钙生产过程中碳化得到的碳酸钙悬浮液用泵送入活化器中，并按碳酸钙（不计水）流量的1%将表面改性剂同时加入活化器中，活化器是一个体积不大的带搅拌的反应罐，在搅拌的作用下，表面改性剂与碳酸钙悬浮液进入活化器后瞬间即达到几乎完全混合，表面改性剂与碳酸钙悬浮液在活化器中停留规定时间后，从活化器出口出来。活化的碳酸钙脱水后送入干燥器中干燥，一般用水蒸气或导热油作为热源，干燥后的活性碳酸钙可直接作为产品包装，也可以经粉碎后包装。
湿法生产过程较适合于水溶性的表面改性剂，如高级脂肪酸等。
2． 干法生产工艺流程
该工艺流程是将表面改性剂与干燥的轻质碳酸钙或重质碳酸钙用高速搅拌机或高速混和机混合进行活化，从而制得活性碳酸钙。
6.3 轻质碳酸钙在塑料中的作用及影响
碳酸钙是用量最大，使用范围最广的一种无机填充剂（又称无机填料）。碳酸钙主要用于橡胶、塑料、建材、纸张、油漆、医药、食品、饲料、化妆品、油墨等的生产、加工和应用中。碳酸钙最主要的作用就是增加产品的体积，降低生产成本。下面重点讲一下碳酸钙在塑料中的作用。
6.3.1 碳酸钙在塑料中的作用
（1）增加塑料体积、降低产品成本 碳酸钙也是塑料工业中使用较早、用量较大的填充剂。碳酸钙广泛地填充在聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯工聚物（ABS）的等树脂中,以增加塑料制品的体积,节约昂贵的树脂,降低产品成本。
（2）提高塑料的尺寸稳定性 碳酸钙的添加，在塑料中起到一定的骨架作用，对塑料尺寸的稳定有很大作用。由于在塑料中既要考虑塑料的弹性、冲击强度。还必须要求制品有一定的尺寸稳定性。因此，要根据塑料自身不同的要求，对碳酸钙提出粒径和晶形等要求。
（3）提高塑料的硬度和刚性 在塑料中，特别是软质聚氯乙烯中，塑料的硬度随碳酸钙配入量的增加而增大，塑料的伸长率又随其硬度的增加而降低。颗粒细、吸油值大的碳酸钙，塑料硬度的增大率大。反之，颗粒粗、吸油值小的碳酸钙，塑料硬度的增长率小。在软质聚氯乙烯中，以加重质碳酸钙的塑料硬度增长率为最小，加轻质碳酸钙的塑料硬度增长率次之。
碳酸钙在塑料内一般不能起补强作用，碳酸钙的颗粒常常可以被树脂所浸润，所以碳酸钙添加的正常作用是使塑料刚性增大，塑料的弹性模量和硬度也增大。但随着添加量的增加，塑料的拉伸强度和极限伸长率都下降。
（4）改善塑料的加工性能 碳酸钙的添加，可以改变塑料的流变性能。
碳酸钙的添加，特别是经过表面改性的碳酸钙添加之后，不仅可以提高制品的硬度，还可以提高制品的表面光泽和表面平整性。此外，可以减小塑料的收缩率、热膨胀系数、蠕变性能，这就为加工成型创造了有利条件。
（5）提高塑料的耐热性 碳酸钙的添加，可以提高塑料的耐热性。例如：在聚氯乙烯中，添加40%的碳酸钙时，塑料的耐热温度提高约20℃。当碳酸钙的填充比≤20%时，塑料的耐热温度一般提高8～12℃。
（6）改进塑料的散光性 在塑料中，有的制品要求增白而不透明，有的希望消光。碳酸钙的添加在这方面可以发挥一定的作用。白度在90度以上的碳酸钙，在塑料中有明显的增白作用。如与钛白粉、立德粉（锌钡白）配合，塑料的散光性则有很大的改进。
在钙塑纸张中，在低密度聚乙烯（LDPE）及高密度聚乙烯（HDPE）薄膜中，添加碳酸钙都可以达到散光和消光作用，使之适宜于书写、印刷。白度较好的碳酸钙还可以取代昂贵的白色颜料。
（7）可使塑料具有某些特殊性能 碳酸钙添加于电缆料中有一定的绝缘作用。碳酸钙的添加，可以提高某些塑料的电镀性能、印刷性能。微细碳酸钙或超细碳酸钙添加在聚氯乙烯（PVC）中，有一定的阻燃作用。
6.3.2 轻质碳酸钙对型材的影响及相关质量控制
（1）粒度范围的影响
从理论和实验都证明轻质活性碳酸钙在型材中的平均粒径一般为1～5um，但颗粒过大或过小必须严格限制，从粒径分布图显示越窄越好。附后两张粒径图作了一个比较。
（2）白 度
轻质碳酸钙白度在90度以上对塑料有明显的增白作用，但每批次的白度差异应控制在2度以内，如果超出会造成型材色泽的不一致，影响型材外观。
（3）杂 质
轻质碳酸钙在生产过程中由于原材料、环境等因素不可避免有杂质，特别是黑杂质的混入，如杂质含量超过一定范围会在型材表面造成麻点，影响光泽度。
（4）水 份
轻质活性钙行业标准水份≤1.0%，但在型材行业使用一般控制在0.4%以内,如水份过高会在型材挤出过程中造成气泡,形成划痕,影响型材外观。
6.3.3碳酸钙对塑料老化的影响
作为高分子聚合物，在光、热等环境条件下会发生分子链的断裂，同时有可能产生接枝或交联反应，宏观上表现为力学性能下降，这种现象称之为老化。
在光的作用下聚乙烯塑料薄膜极易发生老化。针对聚乙烯光老化机理研制生产了光稳定剂。当碳酸钙加入到聚乙烯中制成薄膜后，对其老化性能影响是决定我们如何在地膜或与阳光频繁接触的聚乙烯或聚丙烯塑料制品中使用碳酸钙的问题。
实验表明含有碳酸钙或滑石粉的聚乙烯薄膜在日光暴晒过程中，达到一定值羰基指数（CI）的时间都少于纯聚乙烯薄膜，表明碳酸钙的存在对聚乙烯薄膜的老化是有一定寸进作用的，见下表列出碳酸钙改性母料填充PE薄膜在人工加速氙灯老化前后力学性能的变化数据。检测结果表明随着碳酸钙用料增加，在同样老化条件下，填充PE薄膜老化速度加快。
