综述：常见矿物粉体对塑料填充改性的正面作用和特殊作用

日期: 2024-03-28

作者: 华体会中国

  塑料的填充改性是指在树脂中加入低成本的填料以此来降低聚合物制品成本的一类复合技术其首要目的往往是减少相关成本。但既然是填充改性，填充之后提高某些性能也能实现的。

  在热塑性塑料中，填充可以改善复合制品的耐热性、刚性、硬度、尺寸稳定性、耐蠕变性、耐磨性、阻燃性、消烟性及可降解性，降低成型收缩率以提高制品精度；在热固性塑料中，除前述的性能改善外，对某些树脂是加工中必不可少的补强材料，如不饱和树脂、酚醛树脂及氨基树脂等都需要进行填充补强。

  传统塑料填充改性最大缺点为在降品成本的同时，导致制品某些性能的下降甚至是大幅度下降和密度大幅度提高，其中最明显的下降性能有冲击强度、拉伸强度、透明性及制品表面光泽度等。新型塑料填充改性最大的优点为既可以降低成本又可以改善性能。这是因为随着填料品种的不断开发和粒度的不断细化，随着聚合物填充包覆技术的不断发展，聚合物的填充完全能轻松实现改性功能。

  对塑料填充影响最大的技术有如下两项。一是超细填料和纳米填料的开发。众所周知，常规粒度填料的加入会导致复合材料冲击强度的大幅度下降，而超细填料和纳米填料的加入不但复合材料的冲击强度和拉伸强度不会下降，反而会有不同程度的升高，这就是刚性增韧和增强技术。此外，超细粉体还具有比表面积大、表面活性高、化学反应速率快、烧结温度低且烧结体强度高、遮盖率高等优良的物理化学性能，加工及应用范围也进一步扩宽。

  我国超细粉碎设备是伴随着现代高技术和新产业发展起来的新兴产业。目前所生产的机种类型与国外相差不大，国际上成熟的机型在我国几乎都能生产，基本上能满足国内市场日益增长的需求。目前常见的超细粉碎设备类型主要有高速机械冲击磨、气流磨、搅拌磨、振动磨、旋转筒式磨、塔式磨、旋风自磨机、离心磨、高压射流粉碎机等。

  超细粉碎设备按粉碎方式不同可分为干式和湿式两种，在工业上多用湿式方式，如湿式搅拌磨等，干式粉碎设备以气流式粉碎机、高速机械冲击磨、旋风自磨机等为主，也有干、湿两用的介质搅拌磨、旋转筒式磨、高压射流粉碎机等。总体来看，设备的大型化、高效化、节能化和超细研磨是当今设备设计开发的主要趋势。

  二是填料表面的多功能复合处理技术：填料表面的处理技术发展越来越快，其发展经历了从硬脂酸→单一偶联剂→多功能偶联剂→大分子偶联剂→相容剂→复合偶联剂的历程，使填料与树脂的结合力越来越大，对制品性能的提高幅度也越来越大。目前矿物粉体表面改性常用的方法有干法和湿法两类，包含有机表面改性、无机表面（沉淀包覆）改性、机械力化学改性、插层改性以及复合（无机/有机复合、机械力化学/有机或无机复合）改性等。

  填料在填充前都要处理吗?其实，并非如此。是否进行处理，要看具体情况而定。

  一方面看填充量大小，填充量较小时，可不进行处理；二方面要看填料的粒度大小，如果粒度小于800目其自身分散性就很好，就不需要进行偶联处理；三方面看对复合制品的性能要求，如对性能要求很低，也可不进行处理；四是要看填料出厂时的表面处理状态，如果没有处理或者只用水性表面活性剂进行分散处理还需要进行偶联处理，如果只用硬脂酸处理有时还需要进一步用偶联剂处理，如果用偶联剂处理基本上可以不进行处理。对填料进行表面处理，目的使表面从亲水性变成疏水性，在高填充或复合材料性能要求高的场合是必要的。

  ①提高复合材料的刚性：具体体现在弯曲强度、弯曲模量、硬度等性能指标上。填料中二氧化硅的含量越高，刚性改性效果就越明显。各类填料刚性改性大小依次为二氧化硅（提高120%）＞云母（提高100%）＞硅灰石（提高80%）＞硫酸钡（提高60%）＞滑石粉（提高50%）＞重质碳酸钙（提高30%）＞轻质碳酸钙（提高20%）。

  ②提高复合材料的尺寸稳定性：具体体现在降低收缩率、降低翘曲、降低线膨胀系数、降低蠕变、增加各向同性程度，尺寸稳定效果大小依次为球形填料＞颗粒填料＞片状填料＞纤维状填料。

  ③提高复合材料的耐热性：具体性能指标为热变形温度，如热变形温度随滑石粉含量增加而提高。

  ④提高复合材料热稳定性：无机粉体可以不同程度吸收促进分析物质，从而降解热分解程度。此外，无机填充还可以提高复合材料耐磨性、提高硬度等。

  之所以称为填料的特殊改性性能，是因为有的填料有、有的填料没有这些改性功能，对同一种填料不同条件下可能有、可能没有改性功能。

  ①提高复合材料拉伸和冲击性能：无机粉体并不能总是提高复合材料拉伸和冲击性能，只有在达到特殊条件才可以提高，而且提高幅度也并不大。无机填料达到一定细度后，填料表面包覆处理得好、复合体系中添加相容剂后，能改善复合材料拉伸强度和冲击强度。不同填料品种的改善效果不同，对冲击强度玻璃微珠＞硫酸钡＞轻质碳酸钙＞重质碳酸钙＞滑石粉，对拉伸强度硅灰石＞滑石粉＞重质碳酸钙＞轻质碳酸钙。

  ②改善复合材料的流动性：绝大多数无机粉体都可以提高复合材料的流动性，但滑石粉却降低复合材料的流动性。

  ③改进复合材料光学性能：无机粉体可以提高复合材料的遮盖性、消光性和散光性，如钛白粉就是典型的强遮盖力强无机颜料。

  ④提升复合材料燃烧环保性能：一是无机粉体材料可以使复合材料燃烧透彻，原因为燃烧时会产生裂缝，增加氧气接触面积；二是无机粉体在复合材料燃烧时可以吸收部分毒气体，降低毒气排放量；三是无机粉体提高了复合材料的热传导性能，使燃烧更加迅速，缩短燃烧时间。

  ⑤促进复合材料的阻燃性：并不是所有的无机粉体对阻燃都有所帮助，只有含硅元素的无机粉体有助于阻燃性提高，可以作为阻燃协效剂。具体原因在含硅材料燃烧时可以在燃烧物表面形成阻隔层，减少氧气接触材料表面的概率，具体含硅填料品种如滑石粉、硅灰石、云母、硅藻土、分子筛、白炭黑等。而碳酸钙、硫酸钡等非含硅无机粉体反而影响阻燃性发挥，原因为含有碳酸钙的复合材料在燃烧时会因树脂膨胀而产生缝隙，从而增加复合材料接触氧气的机会。例如，含有30%碳酸钙的聚乙烯复合薄膜燃烧时间为4s，而纯聚乙烯薄膜的燃烧时间为12s，两种相差3倍之多。

  ⑥优化复合材料的其他性能：成核剂作用，当滑石粉的粒度小于1μm时，在PP中可以起到无机成核剂的作用。阻隔红外线作用，本身含有硅的无机粉体如滑石粉、高岭土、云母都具有良好的红外线和紫外线阻隔性能。透过X射线功能只有硫酸钡具有，可以用于医学上钡透视的显影剂。表面性能提高，能改善复合材料的电镀性、开口性和印刷性能。热传导性能，可以提高复合材料的导热系数。

  粉体对塑料填充改性的作用有目共睹，关于填充改性的配方也有很多技术是围绕粉体颗粒吸液性质、形状、粒径等性质展开的。不过，粉体填充改性有正面作用，也有负面作用，而且负面作用的由来也在这些性质当中，逆向思维下也有很高的研究价值，也是促进技术进步的主要的因素，在技术和装备研发过程中也应该予以重视。

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