Charakteristik / Funktion:

Calciumcarbonate, auch als Calcit oder Kalkspat bezeichnet, sind nach Quarz an der Erdoberfläche mit am weitesten verbreitet.

Chemische Formel CaCO₃, Mohshärte 3, spezifisches Gewicht 2,6 bis 2,8; Glasglanz, durchsichtig bis undurchsichtig. Farbe weiß, grau, gelb, rötlich, bräunlich, grün und farblos. Strich weiß bei starken Verunreinigungen auch farbig, Bruch muschelig, spröde, Spaltbarkeit sehr vollkommen. Beim Übergießen mit kalter verdünnter Salzsäure zeigt Calciumcarbonat infolge Kohlsäureentwicklung kräftiges Brausen – Vorkommen im Kalkgestein als Gemengeteil oder als Bindemittel in zahlreichen Sandsteinen in vielen Metamorphiten, auf Erzgängen, als Dursen- und Sinterbildung. Kristalle (hexagonal-trigonal). Sehr verbreitet vorherrschend steile Rhomboeder, Skalenoeder und Prismen, viele Formkombinationen häufig Zwillinge; große Kristalle auf Klüften und in Drusen; daneben auch feinkörnig, säulig, spatig, stenglig.

Entsprechend ihrer Entstehung und ihres Erscheinungsbildes unterscheidet man:

Calcit:

Farblose, klare, durchsichtige, gut spaltbare grob- und weiße feinkörnige dichte Kristalle. Besonders letztere Form des Calcits ist wegen seiner weniger splittrigen Teilchenform weicher und weniger abrasiv.

Kreide:

Kaum verfestigt, besteht aus feinen Calcitkristallen und -bruchstücken, herrührend von Schalen und Stützgerüsten von Nanofossilien. Große Kreidevorkommen in Europa finden sich vor allem an der Kanalküste und im Pariser Becken.

Kalkstein:

Stärker verfestigt, z.B. die Facies der Urgonkalke Südfrankreichs, bestehend aus Makrofossilien von Muscheln oder aber generell ältere Kalke aus der Juraformation.

Marmor:

Entstanden durch Diagenese eines Sedimentgesteines, d.h. Umkristallisation im Erdinneren bei hohen Drücken und Temperaturen von 600° C. Der resultierende Stein ist relativ hart, mit dichtem, grobkörnigen Gefüge.

Chemische Zusammensetzung der natürlichen Calciumcarbonate:

Die natürlichen Calciumcarbonate in Form von Calcit, Kreide, Kalkstein oder Marmor sollen folgende Werte aufweisen:

• CaCO₃ 98,50 - 99,00 %
• MgCO₃ bis max. 0,50 %
• Fe₂O₃ bis max. 0,20 %
• Helligkeit 85,00 - 95,00 %

Je höher die Reinheit, d. h. je geringer der Gehalt an Eisen und anderen Schwermetallen ist, umso größer ist dabei normalerweise die Helligkeit.

Calciumcarbonate stellen mengenmäßig eine der wichtigsten Füllstoffgruppen dar. Nach den in der Natur vorkommenden Formen unterscheidet man zwischen Kreide, Calcit- und Kalksteinmehl.

Gemäß DIN 55 918 versteht man unter Kreide ein aus der Kreideformation stammendes erdiges CaCO₃ das sich wie bereits oben beschrieben aus den Schalenresten einer maritimen Kleinlebewelt gebildet hat.

Das lockere Gefüge der Kreide mit seiner starken Saugwirkung für Feuchtigkeit, sowie die ausgesprochene Säureempfindlichkeit schränken den Anwendungsbereich für Kreide ein und lassen z. B. einen Einsatz nur im Innenfarbenbereich ratsam erscheinen.

Calcit mit seiner dichten, trigonalen Kristallstruktur verhält sich hier wesentlich günstiger. Für den hohen Gesamtverbrauch sind vor allem die guten Allroundeigenschaften verantwortlich: geringer Bindemittelbedarf, gute Wetterbeständigkeit, physiologische Unbedenklichkeit und niedriger Preis. Haupteinsatzgebiete sind Kunststoffe, Spachtel, Füller, Klebstoffe, Gummi, Grundierungen, Seidenglanzlacke, Dispersions- und Druckfarben und Papierindustrie.

Kalksteinmehl entspricht strukturell dem Calcit, kann aber wegen der enthaltenen höheren Verunreinigungen und der geringeren Helligkeit nur für wenige Zwecke eingesetzt werden.

Qualität der Carbonat-Füllstoffe:

Leider neigt man dazu, die Carbonatfüllstoffe nur von der Kostenseite her zu beurteilen. Der Abbauort, die chemische Reinheit, d.h. Menge und Art der Verunreinigung, der Aufbereitungsprozess und eine eventuell anschließende Oberflächenveredelung spielen jedoch eine eminente Rolle.

Die Calciumcarbonat-Füllstoffe stehen heute in einem Sortiment abgestufter Mahlfeinheiten, womit ein Großteil der Anwendungsfälle abgedeckt werden kann, zur Verfügung. Diese Abstufung reicht von feinstteiligen Produkten mit d₅₀-Wertes von ca. 1,0 bis 1,5 µm und der oberen Korngröße von 6 bis 10 µm bis zu Splittformen im mm-Bereich bei engen Kornverteilungen. Die spezifischen Oberflächen der Feinmahlungen liegen zwischen 1 und 10 m²/g, wobei 10 m²/g nur bei den allerfeinsten Materialien erreicht werden. Die Ölzahlen, charakterisierend die Bindemittelaufnahme, weisen Werte zwischen 9 und ca. 30 g/100g je nach Feinheitsstufe auf.

Führende Firmen sind heute in der Lage, für die einzelnen Einsatzzwecke maßgeschneiderte Füllstoffe anzubieten und unerwünschte Nebenwirkungen auf Verarbeitungsmaschinen, wie Verschleiß, sowie auf die mechanischen Werte der Endprodukte einzuschränken bzw. auszuschließen.

Hinzu kommt, dass dem Calciumcarbonat durch geeignete Oberflächenbehandlung (Coating) lipophiler Charakter verliehen werden kann, welcher z.B. den Einsatz in Thermoplasten wesentlich erleichtert.

Anwendungsgebiet Kunststoffe:

Gemahlener Calcit ist der gewichtsmäßig und einsatzfallmäßig der wichtigste Füllstoff insbesondere für Thermoplaste. Speziell in PVC werden feinstvermahlene Kreiden häufig eingesetzt. Auf der Suche nach dem Gleichgewicht zwischen einem niedrigen Gestehungspreis und der Erhaltung der physikalisch-mechanischen Werte spielt der inaktive CaCO₃-Füllstoff eine wichtige Rolle Qualitativ hochwertige Carbonatextender zeichnen sich durch folgende positive Eigenschaften aus:

• große chemische Reinheit, keine Schwermetallionen, die den Alterungsprozess katalysieren;
• keine Neigung zu Agglomeratbildung;
• calcitische Struktur mit relativ niedriger spezifischer Oberfläche ohne große adsorptive Wirkung auf Weichmacher und Additive;
• hoher Weißegrad, daher Möglichkeit des teilweisen Ersatzes von teuren (TiO₂)-Weißpigmenten;
• nicht abrasiv, Schonung von Maschinenteilen;
• gute Dispergierbarkeit (speziell von gecoateten Typen) mit nur geringem Einfluss auf die mechanischen und elektrischen Werte der Endprodukte;
• Erhöhung der Steifigkeit und des E-Moduls;
• Verringerung des Schwundes, Erhöhung der Farbbeständigkeit;
• Verbesserung der Produktoberfläche;
• Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit;
• Verminderung des Plate-out in den Verarbeitungsmaschinen (Ablagerung von Mischungsbestandteilen);
• Erhöhung der Schlagzähigkeit speziell durch gecoatete Typen;
• Verbesserung der Stabilität und der Alterungsbeständigkeit speziell durch gecoatete Typen;
• günstiger Preis, billiger als gefälltes CaCO₃, dadurch vorteilhafte Gewichts- und Volumenvergrößerung.

Carbonatgefüllte Polyamide bringen eine Erniedrigung des Rohmaterialpreises und werden dort eingesetzt, wo im Elektro-, Haushaltsgeräte-, Waschmaschinen- und Automobilbereich eine gute Dimensionsstabilität ohne Schwindprobleme erwünscht ist. Sehr gute Oberflächenqualität, hohe Wärmeformbeständigkeit, gute Steifigkeit und Zähigkeit sowie Beständigkeit gegen viele Lösemittel, Kraftstoffe, Öle und Fette zeichnen diese gefüllten Formmassen aus.

Anwendungsgebiet Lacke und Farben:

Die bisher angeführten Eigenschaften des Calciumcarbonat bilden auch die Grundlage für den Einsatz in Lacken und Farben.

Besonders hervorzuheben sind dabei die physiologische Unbedenklichkeit, die geringe Eigenfarbe, die Wetterbeständigkeit und die Verträglichkeit mit Pigmenten. Dies gestattet den Einsatz als Allinextender in weißen und in bunten Lacken, wobei bei letzteren reine Farbtöne erzielt werden.

Ein günstiger Volumenpreis und eine geringe Abrasivität runden die positiven Einsatzeigenschaften ab.

Anwendungsgebiet Papierindustrie:

In den letzten Jahren hat - bedingt durch laufende Preissteigerungen bei Kaolin - der Trend zum Einsatz von CaCO₃ als Füllstoff und Streichpigment stark zugenommen. Die Ursache für diese Preissteigerungen sind u. a. die aufwendigsten Aufbereitung des Kaolins und die gestiegenen Frachtraten für den Transport. Calciumcarbonat kommt dagegen in den Lagerstätten fast rein vor und erfordert in der Aufbereitung weniger Kosten.

Der Einsatz von CaCO₃ in der Masse bedingt im Gegensatz zum Einsatz von Kaolin eine neutrale oder alkalische Fahrweise. Es muss dabei die Papierleimung mit Hilfe von Ketendimeren oder Mischpolymerisaten der Acrylsäureester durchgeführt werden. Neuerdings gibt es auch die Möglichkeit spezielle Harzleimdispersionen zu verwenden, die im schwach sauren pH-Wert Bereich eingesetzt werden können

Durch die Anwendung von CaCO₃ im Neutralbereich erreicht man gegenüber der sauren Arbeitsweise bestimmte Vorteile wie

• Verbesserung der Weiße im Papier bei gleichzeitiger Einsparung an optischen Aufhellern,
• Steigerung der Festigkeitseigenschaften trotz höheren Füllstoffanteils,
• Einsparung an Mahlenergie durch geringe Stoffmahlung,
• Verringerung der Korrosion,
• geringere Kreislaufbelastung und damit verbunden eine verminderte Belastung des Abwassers,
• Verbesserung der Alterungsbeständigkeit des Papiers
• ganz erhebliche Kosteneinsparung auf der Hilfsstoffseite.

Gefälltes CaCO₃ wird als Füllstoff nur bei der Fertigung von Spezialpapieren wie z. B. Zigarettenpapier benutzt.

Quellenangaben:

• Römpps Chemie-Lexikon
• Lückert-Füllstoff-Tabellen
• H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Band II, 1974
• Gächter/Müller: Kunststoffadditive, 3. Ausgabe 1990

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