|
| |
| 各种矿物填料在塑料中的应用特性 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2016-02-01 10:48:19 浏览次数： |
|
| |
1、概述
塑料工业已成为当今世界上的新兴材料工业。与其他材料相比，塑料具有质量轻、耐腐蚀、比强度高、电性能优异、容易加工成各种外观美丽、色彩鲜艳的制品等特点。
现代社会对塑料提出了广泛而又多功能的要求，如要求性能好且价格低廉；即耐高温又易加工成型；既具有较好的刚性又具有较好的抗冲击性能等。单一的聚合物很难同时满足多样化、高品质的要求，这就要求必须对塑料改性，在塑料加工行业中应用最多的是填充改性与共混改性。
在塑料改性中使用矿物填料作为填充剂和改性剂，不仅可以显著降低塑料制品的原料成本，而且可以有效地改善塑料的性能。随着新型改性填料、复合填料的出现，填料已被认为是一种功能性添加剂。填料是塑料的重要添加剂之一，按添加量15%计算，塑料工业现在每年耗用的矿物填料数量至少在250万吨以上。
塑料的主体是合成树脂，它决定塑料的基本性质。不同类型的塑料，基体用量各异，如热固性塑料，合成树脂的约占总质量的35%～55%，而热塑性塑料在40%～100%之间。填料的充填量应根据塑料种类、性能、塑料制品的使用目的和性能要求以及填料的特性，适当选用填料的种类、用量、添加方式。
表1-1 常用塑料矿物填料的用量及主要功能
| 矿物 |
主要树脂 |
制品举例及添加量 |
主要功能 |
| 碳酸钙 |
ABS,氟塑料，PP，PS，PVC，PU，环氧树脂，TPES |
韧性PVC 17%～38%,PP 30%～40%,PVC塑料溶胶制品7%～50%，其他PVC管30%，PVC地板44%～80% |
最常用的填料，增加抗压系数，改善表面光滑度，控制黏滞度 |
| 高岭土 |
尼龙，PU,PVC,TPES,聚烯烃类树脂 |
汽车尼龙配件如前灯、轮罩等20%～40% |
最广泛用于电线和电缆、SMC,BMC,以及乙烯基地板中；降低成本，改善光洁度 |
| 云母 |
ABS,氟塑料，尼龙、PC,TPES,PP,热固性塑料，聚烯烃类树脂 |
聚烯烃结构泡沫塑料10%～25%；酚醛塑料60%，环氧树脂50% |
薄片增加强度，增强绝性、耐热性及力学性能 |
| 滑石 |
尼龙，聚烯烃类树脂，PVC,酚醛塑料、PU，PS，PP等 |
PP 15%～40%，HDPE 20%～30%,PS 30%～40% |
增加抗压、拉伸强度，抗蠕变 |
| 硅灰石 |
尼龙，PC,TPES,PS,热固性塑料，聚烯烃类树脂 |
尼龙50%，LDPE40%，PP 23%～28%，PS 30% |
增加强度，降低吸水率，提高热和尺寸稳定性，改善介电指标和电绝缘性 |
| 铝矾土 |
ABS,TPES,LDPE,PVC,环氧树脂，酚醛塑料，PU |
PE浴缸60%，PVC电线和电缆，9%～50% |
增加拉伸强度，抗热，阻燃 |
| 长石和霞石正长岩 |
丙烯酸类树脂，纤维素，PP,PS,PVC,PEC,环氧树脂 |
刚性PVC薄膜23%，柔软PVC板材33% |
特殊填料，易于浸湿和分散，增加透明度和半透明度，增强抗风化和化学侵蚀能力 |
| 重晶石 |
PEU,PU |
|
增加密度和摩擦系数，增强耐化学侵蚀性 |
| 多孔粉石英 |
ABS,PS,PVC,TPES,PU环氧树脂 |
环氧树脂50% |
黏稠溶液体系作为角变剂、平缓剂，防止PVC粘膜 |
多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩。该产品自然粒径细（0.5μm左右），颗粒分布均匀，比表面积大（8.3m2/g），外形结构近似球型无棱角状。以电子显微镜图象看，其表面全是纳米级的介孔，平均孔径约为8.8nm（纳米）。
多孔粉石英的特点：多孔结构、自然粒径细、比重轻和表面近似球状。这使得在高分子复合材料中有较好的流动性、分散性且不易沉淀。决定了在塑料行业中有极其广泛的用途。
多孔粉石英属于二氧化硅体系一种，使用的安全性被认可，已广泛用于塑料制品行业，廉价的多孔粉石英还可以降低成本。
2、塑料中填料的功能和要求
矿物填料不仅能降低塑料原材料成本，而且可以利用不同种类填料所具有的独特的物理、化学、几何特性来改变塑料的某些性能或赋予塑料以新的功能。矿物填料在塑料中的主要作用如下。
①降低成本，增大容量
塑料材料或制品的总成本中，原材料的费用占总成本的70%以上，因此在不影响或有利于塑料材料或制品的具体使用性能前提下，尽可能寻求廉价的原辅材料，降低原材料的费用，会给企业带来更大的经济效益。例如，塑料打包带，如果使用纯聚丙烯，不仅功能大大过剩，而且相互咬合的摩擦力不够。采用碳酸钙充填改性（可充填总质量的50%以上），不仅可使聚丙烯打包带原材料费用下降将近一半，而且可以达到使用强度要求，因其表面纹路清晰，打包后相互之间不会滑动，更用利于使用。
②增强、补强作用
矿物填料的活性表面可与若干大分子链相结合，与基体形成交联结构，矿物效联点可传递，分散应力起加固作用，而且会提高塑料产品的硬度、强度。
增强改性往往是用玻璃纤维、碳纤维、金属纤维以及去云母、硅灰石等具有大长径比（纤维状）或径厚比的填料。塑料中加入这些填料后对塑料材料的力学性能和耐热性能有显著增强。
③调整塑料中的流变性（如可塑度、黏性、防止收缩、改进表面性能等）。
④改变塑料的化学性能 如改变界面反应性、化学活性、耐水性、耐候性、防火阻燃性、耐油性、渗透性等。
⑤使塑料制品获得本身原来所没有的特殊性能，如导电性、导热性、压电性、制振性、隔声性以及对电磁波的吸收和对放射性的防护等。这些填加的填料一般称其为功能填料。
3、 塑料填料的特性
矿物填料特性对塑料产品的影响是多方面的。主要特性是矿物颗粒形态、粒径、比表面积、硬度、密度、化学组成以及光、电、磁等性质，它们对塑料性能及工艺性质均有影响，是在填料使用和加工中必须考虑的重要因素。
（1）颗粒形态
填料的几何形态在充填塑料中起重要作用。填料颗粒形态对填料的补强和加工影响 很大，不同颗粒形态填料充填的塑料制品，其机械强度由大到小一般为：纤维状、针状、片状、柱状、块状、立方状、圆球形。对于纤维状填料颗粒的长度与平均直径之比（长径比）表示，一般长径比应大于10.对于片状填料（如滑石粉、石墨、云母、高岭土等）通常采用颗粒的平均直径与厚度之比（径厚比）表示，一般径厚比应大于4.
（2）粒径
一般来说填料的颗粒粒径越小，充填材料的力学性能越好。近年来，塑料填料中的超细填料大有代替普通填料的趋势。但同时颗粒粒径越小，所需的加工费用越高，实现其均匀分散就越困难，而且需要更多的助剂。因而填料颗粒粒径的大小，需根据使用性能性况加以选择。
（3）表面性能
填料的表面性能包括比表面积、表面能、表面形态、晶体结构、表面官能团等。这些性质对填料活性、分散及其与有机树脂结合表面改性等有着很大影响。
填料的比表面积是填料表面物性中最重要的因素之一，比表面积大小对填料与树脂之间的亲和性、填料表面活性处理的难易与成本都有直接关系。
填料颗粒表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易程度。当比表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易程度。当比表面积一定时，表面自由能越大，颗粒之间越容易产生凝聚，越不易分散。在填料表面处理时，降低其表面自由能是主要目标之一。几种常见矿物填料的表面（×10-3J/m2）为：云母2400～25000，多孔粉石英1500～2000，钛白粉650，高岭土500～600，碳酸钙65～70，滑石60～70。
填料的表面官能团，如黏土矿物硅氧四面体及铝氧八面体表面，它们对活性、与树脂结合强度及表面改性的难易有重要影响。
（4）硬度
硬度高的填料可以提高塑料制品的耐磨性，但对塑料加工设备的磨损有重要影响。人们不希望使用塑料带来的效益被加工设备的磨损抵消。便如重质碳酸钙的维氏硬度约为140，石英的维氏硬度在1000以上，石英对塑料加工设备的磨损要比重质碳酸钙要大。但石英作为PVC塑料地板块的填料时，能大大提高塑料制品的耐磨性和耐刻划性，尽管售价比填充碳酸钙的制品高1/3，仍受到人们的欢迎。
（5）吸油性
填料充填时因各种填料的吸油值不同，对体系的影响十分明显。在塑料加工时很多场合是填料与增塑剂并用。如果增塑剂为填料所吸附，会大大降低对树脂的增塑效果。如重质碳酸钙其吸油值约为30～40g DOP/100g,轻质碳酸钙的吸油值是重钙的4～5倍，使用重钙代替轻钙作为人造革的填料时，可以减少增塑剂的用量。
（6）化学组成
填料的性质取决于它的化学组成。在充填改性中，特别是要赋予塑料以功能性时，填料的化学组成起着决定性作用。
填料的化学组成对塑料的主要影响有：影响耐腐蚀性，在耐酸塑料中，不能选用碳酸钙、硅灰石等填料，而耐碱塑料制品中则不能用石英等作为填料；影响塑料树脂结构，填料中某些金属离子，常与有机树脂直接或间接作用，影响树脂的内部结构，如在聚乙烯树脂中，不宜选择含有铁离子的填料，铁离子不但影响制品的色泽，而且在加工时会使树脂解聚；影响热稳定性，如在耐高温塑料中，不宜选择含水氧化铝或三水铝石等作为填料，因为当加热至300℃以上，填料的结构水放出，使塑料的内部结构破坏；影响塑料的某些特性，如作电绝缘多孔粉石英，其Al2O3/SiO2比值越高，绝缘性越好。
（7）热学性能
矿物填料的热导率比树脂高，比热容较树脂低，热稳定性要好。充填填料后不仅可使塑料制品热稳定性提高，而且可使塑料加工时导热变快，从而缩短了熔融和冷却时间，提高生产率，降低能耗。
一般矿物填料热膨胀率仅为树脂的0.2～0.5，由于冷却收缩大小不同，易在填料与树脂结合面产生应力，发生裂纹、易老化，但同时也会提高塑料制品的刚性。
有些无机填料与含卤有机阻燃剂具有很好的协同效应。氧化镁是传统的辅助阻燃剂，硼酸锌也有很好的协同阻燃效果。滑石粉、多孔粉石英等含硅填料也都与含卤有机阻燃剂有良好的协同阻燃作用。
氢氧化铝与氢氧化镁可以作为无机阻燃剂。Al(OH)3本身为不燃物，它具有隔绝缘空氧延缓燃烧的作用，其释放出水吸收大量的热，起到灭火作用。氢氧化镁的功能与氢氧化铝相似，340℃时失水，起到灭火作用。
（8）光学性能
塑料薄膜充填材料，使薄膜的透光率降低，同时可见光在穿过薄膜时遇到填料会发生反射与折射，形成散射光，对用于农业的棚膜有利，可使棚内各处受光均匀。
某些填料对红外光有阻隔作用，在农用大棚膜中使用云母、多孔粉石英、高岭土、滑石粉等填料，可以在夜晚阻止棚内热能以红外光形式散到棚外，从而提高农用大棚膜的保温效果。
炭黑和石墨作填料，可以吸收紫外线光波，保护所填充的聚合物避免发生紫外线照射引发的降解。
（9）电磁性能
有的填料可以使填充体系的电绝缘性能提高，如6KV以上电缆护套料PVC中，充填10%左右的多孔粉石英可以显著提高其电绝缘性。填充导电炭黑、金属粉末或纤维可使填充体系具有抗静电性。将具有磁性的粉末材料加入到树脂中，可以用来制作塑料磁铁或磁条等磁性塑料。
►欢迎进入【粉体论坛】
更多精彩！欢迎扫描下方二维码关注中国粉体技术网官方微信（bjyyxtech）
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
