中国粉体网讯 近日，应中国粉体网公众号用户的要求，笔者计划再科普一下轻钙和重钙两者的区别，然而在学习的过程中，不仅发现“重钙是粗加工，轻钙是精深加工”这样的认知存在着误区，而且，关于两者之间的区别，可能还隐藏着一个更为“撕裂”的认识。
首先，我们还是从轻钙和重钙两者之间较为基础的区别谈起。碳酸钙的分子式是CaCO3，分为两种：重质碳酸钙和轻质碳酸钙。由天然矿石磨碎而成的重质碳酸钙（Heavy Calcium Carbonate，简称重钙），又称研磨碳酸钙（Ground Calcium Carbonate，美国称Kotaite），可以用机械方法直接将天然的方解石、石灰石、白垩、贝壳等粉碎而制得；轻质碳酸钙（Light Calcium Carbonate），又称沉淀碳酸钙（Precipitated Calcium Carbonate），是用化学加工方法制得的。由此看来，轻钙和重钙两者之间最显著的区别是在制备方法上。
碳酸钙（图片来源：网络）
1、制备方法的差异
A.轻质碳酸钙的制备方法
（1）碳化法：将石灰石等原料煅烧生成石灰（主要成份为氧化钙）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成份为氢氧化钙），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后碳酸钙沉淀经脱水、干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙。
（2）纯碱（Na2CO3）-氯化钙法：在纯碱水溶液中加入氯化钙，即可生成碳酸钙沉淀。
（3）苛化碱法：在生产烧碱（NaOH）过程中，可得到副产品轻质碳酸钙。在纯碱水溶液中加入消石灰即可生成碳酸钙沉淀，并同时得到烧碱水溶液，最后碳酸钙沉淀经脱水、干燥和粉碎便制得轻质碳酸钙。
（4）联钙法：用盐酸处理消石灰得到氯化钙溶液，氯化钙溶液在吸入氨气后用二氧化碳进行碳化便得到碳酸钙沉淀。
（5）苏尔维（Solvay）法：在生产纯碱过程中，可得到副产品轻质碳酸钙。饱和食盐水在吸入氨气后用二氧化碳进行碳化，便得到重碱（碳酸氢钠）沉淀和氯化铵溶液。在氯化铵溶液中加入石灰乳便得到氯化钙氨水溶液，然后用二氧化碳对其进行碳化便得到碳酸钙沉淀。
轻质碳酸钙的生产方法虽然不少，但在国内实现工业生产的主要是碳化法。
B.重质碳酸钙的制备方法
重质碳酸钙的生产工艺流程有两种。
（1）干法生产工艺流程：首先对从采石场运来的方解石、石灰石、白垩等进行选矿，以除去脉石；然后用破碎机对石灰石进行粗破碎，再用雷蒙磨或高速机械式冲击磨、气流磨、新型球磨等粉碎得到细石灰石粉，再用分级机对磨粉进行分级，符合粒度要求的粉体作为产品包装入库，否则返回磨粉机再次磨粉。
（2）湿法生产工艺流程：先将干法细粉制成悬浮液，置于搅拌磨、砂磨机内进一步粉碎，经脱水、干燥后便制得超细重质碳酸钙。
2、理化性质的差异
由制备方式的不同，带来的就是两者理化性质的不同：
（1）沉降体积。轻质碳酸钙的沉降体积：2.5ml/g以上；重质碳酸钙的沉降体积：1.2～1.9ml/g。
（2）比表面积。重质碳酸钙的比表面积为1m2/g左右；轻质碳酸钙的比表面积为5m2/g左右。
（3）吸油值。重质碳酸钙由于颗粒大、表面光洁、比表面积小，因此吸油值较低，为48ml/100g左右；轻质碳酸钙颗粒微细、表面较粗糙，比表面积大，因此吸油值较高，为60～90ml/100g左右。
（4）纯度。轻质碳酸钙一般比重质碳酸钙的纯度高，含无机杂质少。
3、粉体颗粒的差异
A.轻质碳酸钙粉体颗粒
根据碳酸钙晶粒形状的不同，可将轻质碳酸钙分为纺锤形、立方形、针形、链形、球形、片形和四角柱形碳酸钙，这些不同晶形的碳酸钙可由控制反应条件制得。
纺锤形碳酸钙（图片来源：网络）
（1）纺锤形碳酸钙是轻质碳酸钙中最常见的一种晶形。其形状像纺锤，平均长轴粒径为5～12μm，平均短轴粒径为1～3μm，控制一定的反应条件，也可以得到平均短轴粒径为0.1～1.0μm的小纺锤形碳酸钙。
（2）针形碳酸钙晶形呈针状，平均粒径为0.01～0.1μm，平均长径比为5～100。
（3）链形碳酸钙晶形呈链锁状，平均粒径为0.01～0.1μm，平均长径比为10～50。
（4）球形碳酸钙晶形呈球状，平均粒径为0.03～0.05μm。
（5）立方形碳酸钙晶形呈小立方状，平均粒径为0.02～0.1μm。
（6）片形碳酸钙晶形呈片状，平均粒径为1～3μm。
轻质碳酸钙按其原始平均粒径（d）分为：微粒碳酸钙（>5μm）、微粉碳酸钙（1～5μm）、微细碳酸钙（0.1～1μm）、超细碳酸钙（0.02～0.1μm）、超微细碳酸钙（<0.02μm）。
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；b.粒度分布较窄；c.粒径小。
B.重质碳酸钙的形状
重质碳酸钙的形状都是不规则的，其颗粒大小差异较大，而且颗粒有一定的棱角，表面粗糙，粒径分布较宽，粒径较大，平均粒径一般为1～10μm。
重质碳酸钙按其原始平均粒径（d）分为：粗磨碳酸钙（>3μm）、细磨碳酸钙（1～3μm）、超细碳酸钙（0.5～1μm）。
重质碳酸钙的粉体特点：a.颗粒形状不规则；b.粒径分布较宽；c.粒径较大。
4、改性过程中的差异
为了减少碳酸钙颗粒的凝聚作用，降低颗粒表面能，往往需要对碳酸钙填料表面进行改性处理。改性碳酸钙，又称活性碳酸钙，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吸油值低、分散性好、能补强等优点。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碳酸钙和活性重质碳酸钙。
在改性工艺中，改性剂的用量有所不同，活性轻质碳酸钙的改性剂用量约1%左右，而活性重质碳酸钙的改性剂用量一般为2.5%～3%左右。
5、在应用中的差异
以上是轻钙和重钙在制备方法、材料理化性质、粉体颗粒特性以及改性过程等方面的较为基础的区别，在这些区别上，大家的认识基本上是一致的。然而到目前为止，我们还没有谈到材料最为关键的一点：它们的用途。也正是在这一点上，笔者发现了一些明显的分歧。
目前，碳酸钙已广泛应用于造纸、塑料、塑料薄膜、化纤、橡胶、涂料、胶粘剂、密封剂、日用化工、化妆品、建材、油漆、油墨、油灰、封蜡、腻子、毡层包装、医药、食品（如口香糖、巧克力）、饲料中，其作用有：增加产品体积、降低成本，改善加工性能（如调节粘度、流变性能、硫化性能），提高尺寸稳定性，补强或半补强，提高印刷性能，提高物理性能（如耐热性、消光性、耐磨性、阻燃性、白度、光泽度）等。
早期有专家认为，由于重钙具有能耗低、工艺简单、便于大量生产的特点及某些性能优点，在很多用途上它可以取代甚至超越轻钙，并指出：发达国家生产使用重钙与轻钙（在填料中）的比例是14～18∶1，重质碳酸钙的需求量远远大于轻质碳酸钙。随着重钙的不断微细化、活性重钙的品种日益增多及应用研究的不断深入，重质碳酸钙的应用范围将不断扩大，应用量也将不断增加。
在这类观点之下，以碳酸钙在造纸和塑料中的应用为例，专家们分析道：造纸中推广中性施胶之后，由于轻质碳酸钙的吸油值高、耗胶量就大、有损施胶效果，而重质碳酸钙则反之；此外，轻质碳酸钙保水性强，在机纸中添加，纸张强度就不及添加重质超细碳酸钙的。在塑料中，普通轻质碳酸钙由于吸油值高，在某些塑料中添加显得太轻，混炼有一定困难，增加添加量较困难，仅能作一般性的增量剂，而且随着塑料工业的发展，塑料向高功能化和高附加值化目标发展，一般的轻质碳酸钙使用量可能会减少。
A.碳酸钙在造纸中的应用
造纸中加入填料可以提高纸张的不透明度和亮度，改进纸张的平滑度和均匀状态，增加纸张的柔软性，降低纸张的吸湿性和变形程度，同时还有利于降低生产成本。钛白粉有高的折光率和散射系数，是很好的造纸填料，但由于其价格较贵，一般只用于高档薄页印刷纸，以提高纸张的不透明度；而碳酸钙由于其价格低廉，且同样能提高纸张的不透明度、增加纸张的吸油墨性能，作为造纸填料具有一定的成本优势。山东太阳纸业的技术研发人员曾研究轻钙和重钙作为造纸填料的使用效果。
（图片来源：网络）
通过实验数据分析，研究人员得出以下结论：
（1）与重质碳酸钙相比，加填轻质碳酸钙，纸张具有更高的松厚度，在纸张灰分达到19.6%时，松厚度比重质碳酸钙高15%。
（2）使用轻质碳酸钙加填时，在提高纸张不透明度、灰分以及降低吸水值方面比重质碳酸钙具有优势。
（3）综合来看，由于轻质碳酸钙的灰分保留较高、且具有更好的生产运行性，可以在一定程度上降低生产成本。
同时，建材工业情报研究所的研究人员认为，在长期生产实践中发现，浆料PCC（编注：指“轻钙”）在提高纸张灰分和改善高品质纸张性能方面比GCC（编注：指“重钙”）优势显著，引起国内外的广泛关注。长期来看，国内石灰石资源储量远高于生产GCC的优质方解石，不同形态和品质的PCC可赋予纸张更佳的性能，因而具有更广阔的发展潜力。
B.碳酸钙在塑料中的应用
无论是重钙还是轻钙，都是塑料工业中使用数量大、应用面广的粉体填料。随着塑料原料价格的不断上升，众多塑料加工企业的目光不约而同地落到廉价的非矿粉体材料上面，特别是碳酸钙以其价格低廉、使用方便、副作用少等众多优点成为塑料加工行业首选的增量材料。多年的应用实践表明，碳酸钙不仅可以降低塑料制品的原材料成本，而且还具有改善塑料材料某些性能的作用。
填充塑料对所使用的碳酸钙的基本要求包括：
（1）碳酸钙纯度要高，硅、铁等元素的化合物要尽量低，有害重金属元素含量更要严格要求。
（2）白度要尽可能高。
（3）吸油值越低越好。通过对碳酸钙表面处理，将碳酸钙颗粒表面包覆，可以降低其吸油值。
（4）细度要适当，并不是越细越好，粒径分布也要因需而定。对填充塑料来说，所用的填料粒径越小，同样填充比例时，其填充塑料材料的力学性能越好，但其前提是粉体颗粒在塑料基体中均匀分散。填料的不同的粒径分布对塑料制品的作用是不一样的。对某些塑料制品来说，达到基本要求的情况下（即最大颗粒粒径不超过某一数值），有的细的多一些为好，有的则希望粗一些为好。
（5）是否活化要依用户需求而定。有些生产大批量产品，且配方和加工工艺都十分稳定的塑料加工企业会要求提供经活化的碳酸钙产品。而更多的塑料加工企业会自行进行表面处理，所使用的处理设备和处理剂往往更具自己的特色。
PVC异型材（图片来源：网络）
以一种典型塑料——聚氯乙烯（PVC）异型材填料用碳酸钙为例，有专家的观点是：
（1）在PVC门窗异型材中用重钙代替轻钙的可能性很小。因为在添加量比较低时，使用重钙不仅不能显著降低型材的原材料成本，而且可能因单位质量物料制成的型材长度减少影响整体效益。
（2）用重钙代替轻钙，至少要求细度在17μm以下，甚至10μm，此时填充材料的性能才可能与使用轻钙相比拟，而比较细的重钙在价格上与普通轻钙相比并不占据优势。
（3）异型材的生产通常是大批量的，而且需要几种甚至十几种不同截面形状的型材在不同的生产线上生产，再另行裁截、组装，且组装时各生产线生产的不同截面形状的型材色泽完全一致，而只有使用成分十分稳定的轻钙才能做到这一点。重钙生产企业保证做到这一点就比较难，因为重钙的成分几乎完全取决于粉碎之前的矿石。为降低异型材的生产成本，增加轻钙的用量是首选措施。
早期有专家认为，发达国家塑料工业使用重钙与轻钙的量之比17～20：1，以重钙为主，随着重钙的开发利用的深入，使用重钙取代轻钙已成为一种趋势，并通过实验数据分析：在PP、HDPE和PVC填充改性时，用重钙替代轻钙完全可行。由于轻钙在生产过程中能耗比重钙大，而且环境污染严重，因此得出结论：今后在塑料、橡胶工业中重钙替代轻钙势在必行。
C.碳酸钙在橡胶中的应用
碳酸钙是橡胶工业用的主要填充剂之一，橡胶工业用碳酸钙有重钙、轻钙、活性钙或纳米钙，它们加入天然橡胶和合成橡胶，对提高橡胶力学性能、改善加工工艺和降低成本具有重要意义。
重钙对橡胶无补强作用，甚至会降低硫化胶力学性能。但是它能提高胶料挺性、改善电绝缘性、降低胶料压出收缩率。其价格低廉，常用作非补强填充剂，以降低制品生产成本。它还可与其他补强剂并用，以改善胶料工艺性能和制品使用性能。除用作填充剂起增量、增容作用外，也可用作隔离剂、脱模剂或白色颜料。
轻钙在橡胶中有一定补强作用，在高填充量情况下能改善硫化胶力学性能。在胶料中易分散，不影响硫化速度，还能改善工艺性能。轻钙在天然橡胶和合成橡胶中应用甚为广泛。
小结
对于碳酸钙生产企业来说，是生产重钙还是轻钙、纳米钙？对于碳酸钙用户来说，是使用轻钙还是重钙？具体到某个用途领域时，无论是轻钙还是重钙，不仅要有满足制品需求的优势性能，同时也需要综合考虑它们的原料来源是否广泛，加工工艺是否成熟，成本是否合算，对环境是否有严重影响，等等。
对于一种材料产品来说，只要它能在应用过程中实现效益价值（经济效益+社会效益）最大化，它就可以被称之为“精深加工产品”。认为重钙是“粗加工产品”，甚至是“低端产品”，肯定是认知上的一个误区。就像眼前的口罩，以前可能被大多数人视为“低端产品”，但如今凭借它可以抵御致命的病毒，一般的“高端产品”能做得到？！
以上仅是笔者在学习轻钙和重钙的区别过程中，发现的一个可能尚未形成统一认识的问题。我们期待有真正的专家，不吝赐教为大家释疑解惑。
参考资料：
于守武著，高分子材料改性原理及技术，知识产权出版社
张德等，轻质碳酸钙与重质碳酸钙比较，中国地质大学
胡治流等，超细重、轻质碳酸钙的生产及应用现状，广西大学
杨江红等：轻质碳酸钙与重质碳酸钙在造纸加填中的效果比较，山东太阳纸业股份有限公司
彭春艳等，全球造纸用矿物颜料现状及趋势研究，建筑材料工业技术情报研究所
吕百龄，碳酸钙在橡胶工业中的应用，北京橡胶工业研究设计院
刘英俊，碳酸钙在塑料中的应用及其具体要求，中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会
李帅等，重钙与轻钙填充聚烯烃性能的比较研究，北京工商大学高分子材料系
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