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礦物或非金屬礦物、經過加工后的具有一定化學成分、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，制造塑料時加入木粉、陶土或碳酸鈣等，不僅能改善制品力學性能，增加硬度，而且還可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的導電、導磁和耐熱性；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、物理和化學性能。

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. 按填料的化學組成分類

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

3. 按填料的應用領域分類

可作為礦物填料的礦種很多，用途也很廣，按填料應用領城分類見表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特的物理、化學、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，盡可能尋求廉價的原輔材料，降低原材料的費用，會給企業(yè)帶來更大的經濟效益。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，不僅可以達到使用強度要求，而且使PP打包帶原材料費用下降將近一半；還因其表面紋路清晰，打包后相互之間不會滑動，更用利于使用。

2. 增強、補強作用

填料的活性表面可與若干大分子鏈相結合，與基體形成交聯結構，填料效聯點可傳遞，分散應力起加固作用，會提高塑料產品的硬度、強度。無機礦物填料的增強主要取決于對其粒度或比表面積和顆粒形狀；粒徑小于5μm的超細無機礦物填料和硅灰石、透輝石、透閃石、石棉等針狀無機礦物填料及云母、滑石、高嶺土、石墨等片狀無機礦物填料具有一定和不同程度的增強或補強功能。一般來說，各種填料的增強效果順序為：纖維填料＞片狀填料＞球狀填料。反之，各種填料在基料中的流動性順序大致為：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，如可調整塑料的流變性、可塑度、黏性、防止收縮、改進表面性能等；可改變塑料的化學性能，改變界面反應性、化學活性、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，導電性、導熱性、壓電性、隔聲性以及對電磁波的吸收和對放射性的防護等。這些添加的填料一般被稱為功能填料。填料的化學組成、晶體結構、光、熱、電、磁等性質以及比表面積和顆粒形狀對被填充材料起到重要的作用。填料主要賦予復合材料的功能見表4，部分填料的主要物理化學性能見表5。

四、填料的地位

填料在現代材料工業(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成本最有效的原料或輔料。

由于無機礦物填料，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格顯著高于無機礦物填料，因此，在這些制品中填充一定量的無機礦物填料可以在滿足相關產品標準，保證使用性能要求的前提下，顯著降低材料的生產成本。

2. 它是獲得具有獨特功能復合材料最方便和有效的填料。

現代科技、經濟和社會的發(fā)展對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。對于高聚物基復合材料，如塑料、橡膠、膠黏劑來說，從高分子合成角度開發(fā)具有獨特功能的全新結構的高分子化合物有時是難以實現的，有時則可能耗資巨大，耗時很長，而采用礦物填料填充改性常常是比較方便和易于實現的。

3. 它是綜合利用礦產資源、替代或節(jié)約樹脂的重要材料。

現代發(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。非金屬礦是儲量豐富、部分與金屬礦和固體燃料礦共生的礦產資源，將其綜合利用并加工成礦物填料用于填充到樹脂中生產高聚物基復合材料，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礦物填料的用量平均已達到10%以上，部分塑料制品中礦物填料的用量已達到30%以上。

4. 它是提高材料或制品技術含量、增加其附加值的最適宜填料。

無機礦物填料來源廣、品種多，可以加工成適應不同應用要求的功能填料，可以提升填充材料的產品技術含量從而增加其附加值。例如，在塑料制品中填充經過表面處理的超細碳酸以提高其韌性；添加片狀結構的滑石和針狀結構的硅灰石可以提高其強度；添加經過表面改性的超細氫氧化鋁和氫氧化鎂可以替代有機阻燃劑賦予其優(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；在橡膠中添加超細片狀高嶺土可以提高其強度和氣體阻隔性等。

由于可以根據材料性能的要求從成分、結構、表面性質等方面性質等方面選擇無機礦物填料，能滿足不同應用的要求，可以在某一方面和幾個方面顯著提高填充材料或制品的技術含量，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

超微級和納米級填料的開發(fā)和利用無疑是增加填料附加值、突出填料功能性的一個新的主要發(fā)展方向。當填料顆粒進入納米尺寸時，就會具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等特點，從而使微觀結構非常特殊，表現出奇異的物理化學性能，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在一些超微級和納米級填料已被開始用于開發(fā)高性能復合材料和功能性復合材料，如納米級粒子填充LDPE、PP、PVC具有明顯的增強、增韌效果。一定量的納米粒子填充LDPE，復合材料的沖擊強度為純LDPE的2倍，伸長率達到625%仍未斷裂。粒徑為0.1～0.04μm 的CaCO3作為橡膠補強劑，主要指標均達到或超過半補強炭黑，可取代白炭黑、立德粉，具有良好的經濟效益。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鍵，極易發(fā)生團聚。

因此怎樣更好地解決納米級填料在聚合物基體中的分散問題將成為決定納米級填料能否得到更廣泛的應用，能否實現更大經濟價值的關鍵?？梢哉f在無機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，具體表現為：

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

（2）對填料表面改性機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）應加強基礎理論與應用基礎理論的研究，以便更好地用于指導生產，并轉化為工業(yè)化技術。

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用。

其他推薦：