改性工程塑料行业培训教程-12填料在塑料改性中的作用

新材料行业——改性工程塑料培训教程—（12）填料在塑料改性中的作用WUHUNIUMAITENewMaterialTechnologyCentre填料——高分子材料的填充剂填料：泛指被填充于其他物体中的物料。在化工产品中，填料又称填充剂。在高分子材料中，填料（填充剂）是用量最大的添加剂，几乎所有的塑料（包括热塑性和热固性塑料）、天然橡胶和涂料都使用大量填料。高分子材料中使用填料的目的：一般来说，微细的粉末填料或改性的微细填料，以及纤维状、片状填料，少量使用可提高材料的整体性能，主要体现在、改善材料加工性能（如改善混炼过程中的粘流性）；、提高制品力学性能（如硬度、刚度及冲击强度等）；、降低制品成本。填充剂的改性作用填充改性的目的提高塑料加工性能改进物化性质增加容积降低成本填充剂增量填充剂填充剂的性能常用填充剂化学上呈惰性碳酸钙、陶土、滑石、硅藻土、对耐水性、耐化学药品性、耐候性、耐热性等无妨碍二氧化硅、云母粉、石棉、增强填充剂不降低物理性能金属、金属氧化物可以大量填充热固性树脂中空球相对密度小木粉价廉粉末纤维素填料——高分子材料的填充剂应用实例：制造塑料时加入木粉、陶土或碳酸钙等，能改善塑料制品的力学性能，增加硬度，而且还可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的导电、通磁和耐热性；橡胶中加入炭黑或二氧化硅（白炭黑）可显著提高制品的物理性能；纺丝液中加入钛白粉（二氧化钛）可以遮光和染色。涂料中常加入白色或带色填料（如钛白粉、滑石粉、碳酸钙、硫酸钡等）以改善涂料的光学、物理和化学性能，这类用途的填料（填充剂）称为体质颜料或展色料。填料在高分子材料中的作用①降低成型制件的收缩率，提高制品的尺寸稳定性、表面光洁度、平滑性、平光或无光性等；②能有效地调节树脂粘度，提高材料加工性能；③能改变材料的性能，满足不同元器件的性能要求，如提高耐磨性、改善导电性、导热性，大多数填料能提高材料冲击强度及压缩强度，对材料的拉伸强度有负面影响；④可提高颜料的着色效果，改善元器件及产品的外观；⑤某些填料具有极好的光稳定性和耐化学腐蚀性，扩大材料的应用范围；⑥起到增容作用，降低材料成本，提高产品在市场上的竞争能力。填料的作用机理填料的作用机理：填料作为添加剂，主要是通过它占据基体材料分子链之间的空隙从而对基体材料分子链的运动产生影响而导致材料性能的改变。填料与增强材料的区别：填料呈颗粒状，增强材料呈纤维状。主要表现在以下两点：由于填料的存在，使得与之相连的基体材料的分子链链段局部被固定，不再占据原来的全部空间，并能影响到基体聚合物的取向。填料的作用机理由于填料的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域内的分子链运动受到限制，主要产生的影响表现在：玻璃化温度上升；热变形温度提高；收缩率降低；弹性模量、硬度、刚度、冲击强度提高。填料的种类1、无机填料和有机填料①无机类填料：无机类填料主要以天然矿物为原料经过加工制成的颗粒状填料，少数填料是经过处理制成的。氧化硅硅酸盐无机类填料碳酸盐碳化物金属类氧化物及氢氧化物钛酸盐、钛酸酯偶联剂硫酸盐硫化物无机填料品种简介在橡塑工业中广泛使用的无机填料主要也就二大类：硅酸盐类与碳酸钙类。硅酸盐类碳酸盐类陶土天然大理石滑石粉石灰石云母粉方解石硅灰石等白云石、白垩、贝壳等有机类填料、、、合成有机物天然有机物果壳粉玉米淀粉木粉农林产业副产品芳香族尼龙纤维尼龙纤维聚丙烯腈纤维人造纤维②有机类填料：有机类填料是由天然的动植物及人工合成的有机材料（如再生纤维素、合成树脂等）制成的。填料的种类木粉最早应用于热固性塑料(如酚醛树脂,俗称电木)，后来在热塑性塑料中也获得了应用。木粉呈针状或纤维状，粒度一般为20-80目，作塑料填料时，使制品具有木材性质，比无机填料轻，所以可降低制品比重。有机填料的应用木粉玉米淀粉作为聚乙烯填料，目前发展也很快，一般玉米淀粉先制成加工母料，淀粉用量10份，然后再添加到LDPE中去，可代替纸张作包装薄膜。玉米淀粉a.木粉b.玉米淀粉有机填料的应用c.合成有机填料增强塑料人造纤维聚丙烯腈纤维尼龙纤维芳香族尼龙纤维......2、惰性填料及活性填料①惰性填料：是将天然矿石用湿磨研磨后烘干或干磨成粉直接使用。②活性填料：采用偶联剂对填料进行表面活化处理，使填料表面有被覆层，更好的和基体树脂相容；或将天然矿物经过煅烧处理，亦或兼用两种方法对填料进行表面活化。例：活性碳酸钙——用方解石及白垩等加工的重质碳酸钙是目前有机高聚物基材料中用量最大的无机填料。在此基础上，再配合交联剂、表面活性剂、加工改性剂等可进一步增强碳酸钙填料的表面活性，增加填料的用量，提高复合材料的性能。填料的种类3、微球形（实心或空心）填料：微球形填料其主要特征是在任意方向上长度大致相等。①玻璃微珠：有实心微珠（沉珠）、空心微珠（漂珠）两种。②聚合物微珠：是有机化合物制成的高分子聚合物微珠。玻璃微珠填料的种类玻化微珠空心玻璃微珠的特点玻璃微珠空心微珠：由硼硅酸盐原料经高科技加工而成，粒度为10—250微米，壁厚1-2微米。特点：质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等，其表面经过特殊处理具有亲油憎水性能，非常容易分散于有机材料体系中。可填充于大多数热固热塑性树脂中，如聚酯、环氧树脂、聚氨酯等。应用特点：1.价格低廉；2.增强塑料的韧性，并不降低其本身的刚度；3.熔点高，可提高被填充物的阻燃性能和维卡软化点；4.电绝缘性好，可用于高绝缘聚合物的填充；5.增加被填充物的流动性，增加塑料的加工性能，同时提高工程塑料的表面流平，解决玻纤增强的表面问题；6.可以有效减少被填充物的收缩率；7.真实密度1.78g/cm3（堆密度1.12g/cm3）相对于玻纤、碳酸钙、滑石粉填充的工程塑料，可明显达到减重的效果；8.耐腐蚀；4、片状、纤维状、针状填料：①鳞片状填料：是在两个方向上长度比第三个方向长得多的粒子，具有鳞片形状。②晶须：是碳化硅、氮化硼、氧化铝、石墨或铍的金属氧化物制成的微小纤维状单晶体。5、玻璃粉与磨碎玻璃纤维填料：是由碎玻璃或玻璃纤维研磨而成，是热固性和热塑性基体的填料，能赋予制品耐热性和低收缩性，并可改善机械性能。6、复合型填料：利用不同填料的特性，通过特殊处理方法将两种或两种以上的填料组合、改性后制成。鳞片状填料晶须无机填料简介——陶土1.1陶土：包括高岭土、瓷土、白土、皂土或纯净黏土，橡胶工业用量最大的矿物填料。化学成分：主要成分为氧化铝和氧化硅的结晶化合物。陶土分类：按其粒径大小分为硬质陶土、软质陶土、高级陶土陶土对材料性能的负面影响：如随着用量增加，扯断强度、耐磨性、定伸强力均有不同程度的提高，用量为20份最好。硬质陶土会降低材料可塑性，但两者都能减小收缩率，使表面光滑。随着用量增加，伸长率则随用量增加而下降。粒径大小比例比表面填充作用≤2um≥5um硬质陶土占80%以上占4-8%22-26m2/g半补强作用用量最大软质陶土50-74%8-30%9-17m2/g无补强作用高级陶土≤1um微量吸湿性1.2滑石粉：分子式：Mg3[Si4O10](OH)2分子量：260.8617中文别名：水合硅酸镁超细粉；老粉无机填料简介——滑石粉分子结构示意图：滑石属单斜晶系，晶体呈假六方或菱形的片状，通常成致密的块状、叶片状、放射状、纤维状集合体。外观：无色透明或白色，但因含少量的杂质而呈现浅绿、浅黄、浅棕甚至浅红色；滑石粉滑石粉的特性：解理面上呈珍珠光泽。硬度1，比重2.7～2.8。滑石具有润滑性、抗黏、助流、耐火性、抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼、遮盖力良好、柔软、光泽好、吸附力强等优良的物理、化学特性。由于滑石的结晶构造是呈层状的，所以具有易分裂成鳞片的趋向和特殊的滑润性。塑料级滑石粉：用于聚丙烯、尼龙、聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚脂类等塑料的填料。滑石粉的工业生产：将开采来的天然滑石经干法、湿法粉碎或高温煅烧而得。滑石粉是六方或菱形结晶颗粒，粒径为1.3-149um。滑石矿无机填料简介——云母粉1.3云母粉：由天然云母矿石经干法、湿法研磨制得。化学成分：硅酸钾盐用途：广泛的应用于建材行业、消防行业、灭火剂、电焊条、塑料、电绝缘、造纸、沥青纸、橡胶、珠光颜料等化工工业。云母粉天然云母矿石超细云母粉用途：塑料、涂料、油漆、橡胶等材料的功能性填料作用：提高其机械强度，增强韧性和附着力，抗老化及耐腐蚀型；有极高的电绝缘性、弹性、韧性和滑动性；耐热、隔音、热膨胀系数小等性能。现在推出的片体云母具有表面光滑、径厚比大、形态规则、附着力强等特点。无机填料简介——云母粉绢云母结构：结构由两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体构成的复式硅氧层，是层状结构的硅酸盐，属单斜晶系，其结晶呈薄片状，片厚可达1um以下（理论上可削成0.001um）,径厚比大；绢云母矿石绢云母粉绢云母作用：有补强效能，可替代部分半补强碳黑使用；可用做隔离剂。绢云母性能：有良好的耐热、耐酸性能和电绝缘性能；有防护紫外线和放射性辐射的功能，可用于特种橡塑制品。硅灰石世界上最佳功能性填料之一：硅灰石是唯一的呈针状的白色矿石，其长径比可以从3：1―20：1。由于硅灰石的针状结构，它已经成为世界上最佳功能性填料之一。特点：无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定良好，有玻璃和珍珠光泽，低吸水率和吸油值，力学性能及电性能优良。无机填料简介——硅灰石针状超细硅灰石硅灰石粉：由天然硅灰石经选矿、粉碎制得，粒径为3.5-75um。其化学成分为偏硅酸钙。具有一定补强作用，广泛用于纤维加固的高分子复合材料与工程高分子材料中，也用做树脂填充剂和白色颜料。无机填料简介——煤矸石粉1.4煤矸石粉：俗称硅铝碳黑，由天然煤矸石经研磨而得。化学组成类似高岭土，即为氧化硅和氧化镁的混合物。化学成分百分率%SiO252～65Al2O316～36Fe2O32.28～14.63CaO0.42～2.32MgO0.44～2.41TiO20.90～4P2O50.007～0.24V2O50.008～0.03K2O+Na2O1.45～3.9作用：有半补强效能，分散性好，可替代部分碳黑做补强剂使用。化学成分组成的百分率：煤矸石破碎机煤矸石粉无机填料简介——海泡石粉1.5海泡石粉：由天然硅酸镁黏土矿经精选、深加工制得。化学组成分：氧化硅和氧化镁的水合物，含少量铝和铁氧化物。用途：在浅色橡塑制品中用做补强剂，性能仅次于*白碳黑。标准晶体化学式：Mg8(H2O)4[Si6O16]2(OH)4·8H2O其中：SiO2含量一般在54~60%之间，MgO含量多在21~25%范围内。海泡石粉无机填料简介——白炭黑1.6白碳黑：分子式SiO2•nH2O,性能：有良好的活性和吸附率，补强效果好，有很高的绝缘性，不溶于水及酸（氢氟酸除外），溶于苛性钠，受高温不分解。白度好，填充于橡胶能明显提高胶料的物理性能，已成为代替炭黑的最佳白色补强填料。无机填料简介——凹凸棒土粉1.7凹凸棒土粉：由蒙脱石等硅酸铝镁类矿物精选加工制得。化学成分：硅、铝氧化物，含少量铁、钙、锰氧化物。白色纤维状结晶，表面有凹凸沟槽，得此名。作用：产品化学性能稳定、粘结力强、吸附能力大。是半补强类型填充剂，能使压出压延胶料的表面光滑。凹凸棒土粉凹凸棒土粉无机填料简介——碳酸钙类2、碳酸钙类：其用量约占无机矿物填料总量的27%。碳酸钙类来源作用重质碳酸钙（重钙粉）天然大理石、石灰石、白垩、方解石、白云石或牡蛎、贝壳填充增容作用轻质碳酸钙（轻钙）0.5-6um普通轻钙化学沉淀法较好的补强效果超细碳酸钙纳米钙0.01-0.1um无机填料简介——碳酸钙碳酸钙作为无机填料应用于塑料填充一般以降低成本为主要目的被广泛使用，收到了较好的效果。近年来，随着碳酸钙在塑料改性上广泛的使用和大量的研究发现，填充一定量的碳酸钙也可大幅度提高材料的某些性能，如机械性能、热性能等，在塑料改性中发挥着重要的作用。⑴碳酸钙的概述作为塑料中填料的碳酸钙有重质(简称重钙)和轻质(简称轻钙)两种。由于制备方法不同，轻钙堆积体积大，显得轻，实际上二者密度相差很少。碳酸钙粉碳酸钙通常所说的轻质碳酸钙是指普