金戈新材帶你了解那些高分子材料用填料

一、填料概述

填料是一種主要原料為無機(jī)礦物或非金屬礦物、經(jīng)過加工后的具有一定化學(xué)成分、幾何形狀和表面特性的粉體材料。在高分子化工中，填料（填充劑）是用量最大的添加劑，幾乎所有的塑料(包括熱塑性和熱固性塑料)、天然橡膠和涂料都使用大量填料。例如，制造塑料時(shí)加入木粉、陶土或碳酸鈣等，不僅能改善制品力學(xué)性能，增加硬度，而且還可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的導(dǎo)電、導(dǎo)磁和耐熱性；橡膠中加入炭黑或白炭黑可顯著提高制品的物性；紡絲液中加入鈦白粉可以遮光和染色。在涂料工業(yè)中常加入白色或帶色填料（如鈦白粉、滑石粉、碳酸鈣、硫酸鋇等）以改善涂料的光學(xué)、物理和化學(xué)性能。

二、填料的分類

1. 按填料的幾何形態(tài)分類

顆粒是填料存在的形式。顆粒的形態(tài)并不十分規(guī)則，但不同的填料的幾何形態(tài)有著顯著的差別，不同填料的顆粒形態(tài)對(duì)制品的性能有顯著影響。按礦物顆粒的幾何形態(tài)分類見表1。

2. 按填料的化學(xué)組成分類

一般來說，在填充改性中填科的化學(xué)組成決定看填料的本質(zhì)，尤其是賦子材料功能性時(shí)，其填料的化學(xué)組成起者決定性的作用。無機(jī)礦物填料按其化學(xué)組成可以分類見表2。

3. 按填料的應(yīng)用領(lǐng)域分類

可作為礦物填料的礦種很多，用途也很廣，按填料應(yīng)用領(lǐng)城分類見表3。

三、填料的作用

填料不僅能降低塑料原材料成本，而且可以利用不同種類填料所具有的獨(dú)特的物理、化學(xué)、幾何特性來改變塑料的某些性能或賦予塑料以新的功能，填料在塑料中的主要作用如下。

1. 降低成本，增大容量

塑料材料或制品的總成本中，在不影響或有利于塑料材料或制品的具體使用性能前提下，盡可能尋求廉價(jià)的原輔材料，降低原材料的費(fèi)用，會(huì)給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。如塑料打包帶，使用純PP，不僅功能大大過剩，而且相互咬合的摩擦力不夠。采用碳酸鈣填充改性，不僅可以達(dá)到使用強(qiáng)度要求，而且使PP打包帶原材料費(fèi)用下降將近一半；還因其表面紋路清晰，打包后相互之間不會(huì)滑動(dòng)，更用利于使用。

2. 增強(qiáng)、補(bǔ)強(qiáng)作用

填料的活性表面可與若干大分子鏈相結(jié)合，與基體形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，填料效聯(lián)點(diǎn)可傳遞，分散應(yīng)力起加固作用，會(huì)提高塑料產(chǎn)品的硬度、強(qiáng)度。無機(jī)礦物填料的增強(qiáng)主要取決于對(duì)其粒度或比表面積和顆粒形狀；粒徑小于5μm的超細(xì)無機(jī)礦物填料和硅灰石、透輝石、透閃石、石棉等針狀無機(jī)礦物填料及云母、滑石、高嶺土、石墨等片狀無機(jī)礦物填料具有一定和不同程度的增強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)功能。一般來說，各種填料的增強(qiáng)效果順序?yàn)椋豪w維填料＞片狀填料＞球狀填料。反之，各種填料在基料中的流動(dòng)性順序大致為：球狀填料＞片狀填料＞纖維填料。

3. 賦予聚合物部分特殊的新功能

填料可賦予被填充材料某些功能，如可調(diào)整塑料的流變性、可塑度、黏性、防止收縮、改進(jìn)表面性能等；可改變塑料的化學(xué)性能，改變界面反應(yīng)性、化學(xué)活性、耐水性、耐候性、防火阻燃性、耐油性、滲透性等；可使塑料制品獲得原沒有的特殊性能，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、壓電性、隔聲性以及對(duì)電磁波的吸收和對(duì)放射性的防護(hù)等。這些添加的填料一般被稱為功能填料。填料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、光、熱、電、磁等性質(zhì)以及比表面積和顆粒形狀對(duì)被填充材料起到重要的作用。填料主要賦予復(fù)合材料的功能見表4，部分填料的主要物理化學(xué)性能見表5。

四、填料的地位

填料在現(xiàn)代材料工業(yè)，如塑料、橡膠、膠黏劑、化纖、涂料、造紙、膠凝材料、建材等工業(yè)中具有重要地位，而且隨著新材料工業(yè)，特別是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展日益顯得突出和重要，主要原因如下。

1. 它是在保證使用性能要求的前提下降低材料生產(chǎn)成本最有效的原料或輔料。

由于無機(jī)礦物填料，特別是作為普通增量填料的碳酸鈣、陶土、滑石粉等價(jià)格較低，而作為塑料制品、橡膠制品、膠黏劑、化纖、紙漿等基料的樹脂價(jià)格顯著高于無機(jī)礦物填料，因此，在這些制品中填充一定量的無機(jī)礦物填料可以在滿足相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，保證使用性能要求的前提下，顯著降低材料的生產(chǎn)成本。

2. 它是獲得具有獨(dú)特功能復(fù)合材料最方便和有效的填料。

現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展對(duì)材料的功能性要求越來越高。單一的原料和配方越來越難以滿足日趨提高的使用要求。對(duì)于高聚物基復(fù)合材料，如塑料、橡膠、膠黏劑來說，從高分子合成角度開發(fā)具有獨(dú)特功能的全新結(jié)構(gòu)的高分子化合物有時(shí)是難以實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)則可能耗資巨大，耗時(shí)很長，而采用礦物填料填充改性常常是比較方便和易于實(shí)現(xiàn)的。

3. 它是綜合利用礦產(chǎn)資源、替代或節(jié)約樹脂的重要材料。

現(xiàn)代發(fā)展最為迅速的高分子材料是以樹脂為基料的非金屬材料，而合成樹脂的原料是石油。非金屬礦是儲(chǔ)量豐富、部分與金屬礦和固體燃料礦共生的礦產(chǎn)資源，將其綜合利用并加工成礦物填料用于填充到樹脂中生產(chǎn)高聚物基復(fù)合材料，在降低材料成本和賦予材料一定功能的前提下，還可以節(jié)約大量石油。目前塑料制品中無機(jī)礦物填料的用量平均已達(dá)到10%以上，部分塑料制品中礦物填料的用量已達(dá)到30%以上。

4. 它是提高材料或制品技術(shù)含量、增加其附加值的最適宜填料。

無機(jī)礦物填料來源廣、品種多，可以加工成適應(yīng)不同應(yīng)用要求的功能填料，可以提升填充材料的產(chǎn)品技術(shù)含量從而增加其附加值。例如，在塑料制品中填充經(jīng)過表面處理的超細(xì)碳酸以提高其韌性；添加片狀結(jié)構(gòu)的滑石和針狀結(jié)構(gòu)的硅灰石可以提高其強(qiáng)度；添加經(jīng)過表面改性的超細(xì)氫氧化鋁和氫氧化鎂可以替代有機(jī)阻燃劑賦予其優(yōu)良的阻燃性能；在建筑涂料中添加煅燒高嶺土可以提高涂膜的強(qiáng)度和耐濕擦洗性；在紙品中填充滑石和碳酸鈣可以提高其白度、平整度和印刷性；在橡膠中添加超細(xì)片狀高嶺土可以提高其強(qiáng)度和氣體阻隔性等。

由于可以根據(jù)材料性能的要求從成分、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)等方面性質(zhì)等方面選擇無機(jī)礦物填料，能滿足不同應(yīng)用的要求，可以在某一方面和幾個(gè)方面顯著提高填充材料或制品的技術(shù)含量，因此可以顯著增加填充材料的附加值。

五、填料發(fā)展趨勢及存在問題

超微級(jí)和納米級(jí)填料的開發(fā)和利用無疑是增加填料附加值、突出填料功能性的一個(gè)新的主要發(fā)展方向。當(dāng)填料顆粒進(jìn)入納米尺寸時(shí)，就會(huì)具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，從而使微觀結(jié)構(gòu)非常特殊，表現(xiàn)出奇異的物理化學(xué)性能，具有優(yōu)異的光、力、電、熱、磁、放射、吸收、敏感、催化等特殊功能?，F(xiàn)在一些超微級(jí)和納米級(jí)填料已被開始用于開發(fā)高性能復(fù)合材料和功能性復(fù)合材料，如納米級(jí)粒子填充LDPE、PP、PVC具有明顯的增強(qiáng)、增韌效果。一定量的納米粒子填充LDPE，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為純LDPE的2倍，伸長率達(dá)到625%仍未斷裂。粒徑為0.1～0.04μm 的CaCO3作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，主要指標(biāo)均達(dá)到或超過半補(bǔ)強(qiáng)炭黑，可取代白炭黑、立德粉，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。但由于納米粒子比表面積大、表面能高、表面存在著活性高的化學(xué)鍵，極易發(fā)生團(tuán)聚。

因此怎樣更好地解決納米級(jí)填料在聚合物基體中的分散問題將成為決定納米級(jí)填料能否得到更廣泛的應(yīng)用，能否實(shí)現(xiàn)更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的關(guān)鍵。可以說在無機(jī)非金屬礦物填料的開發(fā)和利用方面，從過去只是為了降低成本到現(xiàn)在大量功能性填料的廣泛利用，已取得了令人驚喜的發(fā)展。但仍然存在著一些亟需解決的問題，具體表現(xiàn)為：

（1）盡管無機(jī)非金屬礦物填料在塑料、橡膠、膠粘劑等高分子材料及復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，其總量也很可觀，但仍限于碳酸鈣、滑石粉、硅灰石等少數(shù)幾個(gè)品種。

（2）對(duì)填料表面改性機(jī)理和與高分子基體界面形態(tài)方面的研究不多也不深入。

（3）應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究，以便更好地用于指導(dǎo)生產(chǎn)，并轉(zhuǎn)化為工業(yè)化技術(shù)。

通常在熱塑性彈性體中使用的填料是碳酸鈣和滑石粉，一般TPE-S使用碳酸鈣較多，TPV使用滑石粉和碳酸鈣都有。碳酸鈣的顏色較白，滑石粉略微發(fā)灰。TPE-S中一般使用重鈣，有成本優(yōu)勢，TPV中一般使用輕鈣。另外，高嶺土、硅灰石粉、白炭黑、透明粉、硫酸鋇等填料在熱塑性彈性體也有一定的應(yīng)用。

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