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欧美克激光粒度仪助力碳酸钙工业发展
2021/01/11 点击 6973 次

1. 什么是碳酸钙?

碳酸钙(CaCO₃)是一种无机化合物,俗称的灰石、石灰石、石粉、大理石等的主要成分都是碳酸钙。碳酸钙是地球上常见矿物质之一,可以轻易从自然界中获取,硬度不高易于粉磨加工,亦可以较低成本化学合成。其无毒无害,化学性质呈中性不活泼,使得碳酸钙粉末成为重要的工业填充材料,用途甚广。在碳酸钙的粉磨加工和下游应用中,激光粒度仪是普遍使用的非常便利有效的质量控制工具。


2. 中国的碳酸钙工业和粒度仪应用概况

2019年中国碳酸钙行业产量3595万吨,进口量4.9万吨,出口量12.2万吨,国内碳酸钙行业表观消费量3587.7万吨,其中轻质碳酸钙厂家约380家,产量1350万吨(37.55%),平均价格822元/吨;中国重质碳酸钙企业超1000家,共有生产线2000多条,产量2245万吨(62.45%),平均价格572元/吨。行业产值从2014年到2019年,复合增长率达到了7.69%。由于重钙厂初始投资较少(约200万人民币),其数量多,规模较小,常位于具有优质碳酸钙矿物资源和廉价电力供应的地域。轻钙厂初始投资较大,对矿石原材料要求相对较低,更多布局于人口稠密地区。激光粒度仪几乎是所有碳酸钙相关企业的标配,包括从粉碎设备、粉磨加工(QC)和下游填加应用(IQC)全产业链,欧美克一直以来都通过不懈努力致力于为行业用户提供结果稳定、数据准确、操作便捷、维护需求少的粒度分析仪器,是行业市场占有率最高的品牌。


3. 碳酸钙粉的种类、加工工艺及激光粒度仪在生产中的应用

碳酸钙粉根据其生产工艺的不同主要分为:重钙、轻钙等。

3.1 重钙、立磨碳酸钙是由碳酸钙含量高的矿石直接研磨成的碳酸钙粉末。生产工艺如下: 矿石原材料-粗破碎-分选-粉磨-活化改性-分级-包装。激光粒度仪在重钙生产中主要用来进行生产工艺调整、产品质量控制及对生产线异常进行预判。良好的使用激光粒度仪可以给碳酸钙企业带来远超仪器本身价格的巨大的经济效益,举例说明:

3.1.1 重钙为低利润率产品,激光粒度仪可以帮助企业严格控制产品质量,极大减少下游退货风险,提高品牌形象。由于碳酸钙单位质量价值低,通常其销售半径较小约几百公里,大多数企业销售利润可能不及往返运费,产品质量不合格引起的退货损失对于企业经营有很大影响,同时影响企业品牌声誉。

3.1.2 激光粒度仪可以协助用户发挥产品最大经济效益。重质碳酸钙下游应用非常注重大颗粒的尺寸,常关注Dv97指标。因此准确的评价产品粒径分布,可以避免由于可能出现的退货风险而发生的过度粉磨,也可以进行工艺参数的调整尽量避免产生过多细颗粒,从而节省时间和能源的消耗。电力的消耗通常占到重质碳酸钙生产成本的一半以上,因此仅减少过粉磨的能源浪费就可以为客户节省大笔现金。另一方面,激光粒度仪还可以指导用户有效对产品进行分选,形成不同规格产品,有效地提高产品附加值。上图中,两个D97=45um的满足下游使用需求的产品,A所消耗的能源往往要多于B,可以通过分选,将A的细粉分出单独销售以达到更高的经济效益。

3.1.3 激光粒度仪结果的波动可以帮助用户快速判断生产线的异常,进行及时调整,减少硬件损坏风险及不合格物料的浪费,比如说料斗堵塞,研磨介质的损耗是重钙生产中常见的问题,不及时的发现物料堵塞,可能会造成昂贵的电机或轴承由于持续过热而损毁,同时频繁地停机再开机亦会造成物料和能源的浪费。

3.2 轻钙、纳米钙是由石灰石经过煅烧生产氧化钙,再次碳化沉淀生产的高纯度碳酸钙粉体。轻钙的生产工艺如下:矿石原材料-煅烧-水洗-碳化-干燥活化研磨-包装。轻钙的碳化沉淀原生粒径(通常为40-100nm)直接影响最终成品的粒径分布(通常D50为0.1~10um),严格的控制沉淀粒径和改性、干燥、粉磨工艺能极大提高最终产品的分散性能,从而为用户获取高额的回报。随着高性能激光粒度仪的普及,中国高品质轻钙的生产能力呈快速增长趋势,近几年出口增长十分迅速(>50% in 2019),也显示了全球范围内对高品质碳酸钙产品的强劲需求。具体来说,激光粒度仪在以下几方面为用户提供附加值:

3.2.1 提供碳化沉淀工艺中原生颗粒粒径的测量,及时调整沉淀温度、溶液pH、CO2供应量,晶型控制剂的浓度等参数,使得最终产品具有最佳性能,原生粒径控制不良可能导致最终产品质量效果差,后续工艺也难以弥补,使企业无法获得足够利润。由于原生粒径很小,该类型客户一般选购高性能产品,例如Topsizer系列。
3.2.2 通过最终产品的二次粒径的测试,调整包覆、干燥和粉磨工艺,例如改变包覆表面活性剂的比例,调整干燥温度、磨机转速等,以合理控制最终产品分散性能达到客户要求并实现最佳产能。由于轻钙生产过程中不可避免地产生硬团聚,硬团聚会影响轻钙在下游使用时的分散效果,不同分散效果的轻钙粉体价格相差极大。其中包覆的工艺主要是减少硬团聚的产生,同时控制不同的包覆材料还可以控制最终产品的亲疏水特性。

表面活性剂包覆的工艺也可以用于重钙的生产中,生产与亲水性较差材料相容的活性钙/改性钙粉体,常用于例如塑料、橡胶等领域。


4碳酸钙的用途(碳酸钙行业下游粒度仪市场)及粒径控制要点

碳酸钙主要作为各种材料和产品的填充料来使用以降低各种材料制成品的物料成本,同时也提供一些产品新性能特点。也有少部分应用,例如用在油墨和颜料中以增加色料与衬底的侵润性和附着性。碳酸钙粉末规格众多,用量较大的领域有造纸、涂料、建材(人造岗石,框架材料…)、塑料、橡胶、粘接剂和密封剂、无纺布、医药食品饲料、化妆品牙膏等等。由于碳酸钙行业利润较低,产品以次充好的现象经常发生,所以其下游企业普遍购买激光粒度仪用于来料质控(IQC)。

以下是一些主要碳酸钙行业应用特点:

造纸:造纸行业碳酸钙是最重要的填料,其所占物料比例可达30%,其他填料还有滑石粉、高岭土、钛白粉等。该行业要求碳酸钙颗粒细(主要粒度质控指标为2um含量及D97、D90、D50),白度高(尽可能减少昂贵的钛白粉用量),轻钙占该市场的比例大于重钙,主要是轻钙纯度高、颗粒相对更细,白度更高,同时拥有较高水平的表面改性,使得纸张平整美观,油墨易亲润。激光粒度仪可以对来料的质量进行把控,预测纸张的性能。此外香烟用的卷纸一般用不同粒径和添加量的碳酸钙来控制其燃烧速度与烟丝燃烧速度一致。


涂料:涂料碳酸钙填加量一般在10~50%,合理的粒径控制可以提高涂料中碳酸钙的用量,强化钛白粉的遮盖效果,增加漆膜强度,提高和基底的亲合性从而增加涂料涂覆性能和上粉率。该行业对碳酸钙粉体的要求主要是大颗粒少,分散流动性好,质控指标多选取D97、D50。该行业使用较多的是价格相对低廉的白度高的重钙。


建材(人造岗石,框架材料):人造岗石的主要成分为碳酸钙,由于其价格低廉,对材料成本要求极高,因此该行业主要采用立磨生产的超宽分布碳酸钙粉,D97可达100um以上,同时宽的粒径分布使粉体填充性能得到提高,减少空气和孔隙造成的质量不良,也可以减少另一昂贵原材料树脂的用量。部分石灰石粉也可以作为水泥的填充料使用而降低其成本。主要质控指标D10、D50、D97或D90.


塑料和橡胶:一般使用活性碳酸钙,目前的趋势是重钙逐步替代轻钙成为主流,对材料中的大颗粒及碳酸钙与基材侵润性能异常敏感,即使只有少量大颗粒会严重影响成品质量,尤其是一些管材、结构材料中的应用。与此同时,碳酸钙的填加可以有效提高橡胶塑料的强度、韧性、耐磨耐冲击性能。主要质控指标D97。


医药食品饲料:主要使用轻钙,对碳酸钙纯度要求极高,医药中碳酸钙作为辅料,同时需要控制粒度以更好的匹配API进行混匀造粒或压片。食品和饲料中的碳酸钙主要是营养强化剂,同时提高部分产品口感和外观。在饲料中,碳酸钙在非蛋奶禽畜的饲料中添加量一般是1~2%左右,如果是产蛋奶禽畜,可以加到5~8%。主要质控指标D50、D90、D10等。


化妆品牙膏:碳酸钙可以作为磨料使用在化妆品和牙膏中,对粒径和形貌有较高要求。不同粒径的颗粒会影响皮肤接触的感受和摩擦效果,一般采用分级后的窄分布重钙,主要质控指标为D50、D97或D90、D10、圆度等。其中圆度可以采用显微图像仪进行评价。


5碳酸钙行业上游,粉碎和分级设备行业的激光粒度仪应用

由于碳酸钙下游应用多种多样,对碳酸钙粉体的质量要求各不相同,不同类型的非金属矿磨机为重钙的生产提供了不同的解决方案。例如立磨生产的碳酸钙颗粒粒径分布很宽,成本较低,产能高;环辊磨和雷蒙磨可以较容易调节产线参数而得到分布较窄的不同粒径的碳酸钙粉,气流磨、冲击磨等可以生产超细的碳酸钙粉末。非金属矿研磨设备和分级设备开发企业数量众多,大多会购买激光粒度仪做设备研磨效果的评价。


▲ 欧美克Topsizer 激光粒度分析仪

● 测试范围:0.02-2000μm(湿法),0.1-2000μm(干法)

● 重复性:≤0.5%(标样D50偏差)

● 准确性:≤±0.6%(标样D50偏差)


综上:欧美克仪器扎根中国,引进国际先进光学设计和全球优质零部件采购体系开发的系列激光粒度仪数据与国际金标准更接近,主机光学系统4~5年免维护设计,具有易用性好、数据重现性和分辨力卓越的优点,能为碳酸钙行业产业升级、节能降耗、相关产品质量提升提供有力的保障。同时,采用国际引进一体化工装探测器定位组装技术,确保了同一型号仪器之间的数据的可比性,对于行业上下游数据交换和产品质量信息的传递提供了更便捷可信的道路选择。

(来源:欧美克仪器)


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