第三章聚合物的填充与增强改性

3.1 填充增强材料
3.1.1填料的种类及特性
填料也称为填充剂，是高分子材料中的重要固体添加剂 之一。
将其添加入聚合物中可增加体积、降低成本，同时还能 改善聚合物某些方面性能如强度、刚度、热稳定性等。
尤其是一些功能性填料还可赋予高分子材料特殊的电、 磁、阻燃、耐磨、耐辐射等性能，拓宽其应用领域，填 料已被认为是一种功能性添加剂。
珍珠岩 立方石，正方石
1
1
1
1
方解石，长石，硅石，重晶石，霞石 1~4 1
高岭土，云母，滑石，石墨
1 <1
硅灰石，透闪石，石棉，纤维海泡石 1 <1/10
1 1
1
¼~1/10 0
<1/10
部分矿物颗粒的几何形状与尺寸对比特征
对于片状填料，表征其几何形态的重要参 数是径厚比，即片状颗粒的平均直径与厚 度之比。
对于纤维状填料，往往采用长径比的概念， 即纤维状颗粒的长度与平均直径之比。
粒径是表征填料颗粒粗细程度的主要参数。一般
来说填料的颗粒粒径越小，假如它能分散均匀， 则填充材料的力学性能越好，但同时颗粒的粒径 越小，要实现其均匀分散就越困难，需要更多的 助剂和更好的加工设备，而且颗粒越细所需要的 加工费用越高，因此要根据使用需要选择适当粒 径的填料。
优点
价格低廉，普通重质碳酸钙每吨100～300元，普通 轻质碳酸钙数百元/吨。
无毒、无刺激性、无味。 色泽好、白，对其它颜色的干扰小，易着色。 硬度低，对加工设备的磨损轻。 化学稳定，属惰性填料，热分解温度为800℃以上。 易干燥，水分易除去，无结晶水。
用途
1) 增量，降低成本。 2) 提高制品的耐热性，例如在聚丙烯中添加40％的
增强改性往往是通过使用玻璃纤维、碳纤维、金属纤
维以及云母、硅灰石等具有特大长径比或径厚比的填料， 这些填料加入到塑料中后对材料的力学性能和耐热性能 有显著贡献。
填充及增强改性的意义
填料不仅具有降低聚合物材料的成本的作用， 更重要的是改善聚合物的某些性能，甚至赋予 聚合物材料某些特殊功能，从而拓展聚合物的 应用领域。同时，某些填料的应用使聚合物材 料的环保性增强。
填充增强改性的重要性
它是获得具有独特功能新型高分子化合物最便 宜的途径。
它是在保证使用性能要求的前提下降低塑料制 品成本最有效的途径。
它是提高产品技术含量，增加其附加值的最适 宜的途径。
塑料填充改性技术进展
工业矿物填料的细化和微细化 复合材料界面工程和填料的表面处理 混合与混炼设备及工艺 刚性粒子增韧 光钙型环境友好塑料材料 煅烧煤系高岭土在农用塑料薄膜中的应用 抗菌塑料 新型增强、阻燃纤维——镁盐晶须（M－HOS）
滑石粉
滑石是一种含水的、具有层状结构的硅酸盐矿物，英文名Talc，化学 式：Mg3(Si4O10)(OH)2。其化学组成：MgO为31.8％，SiO2为63.37％， H2O为4.7％，常含少量的Fe、Al等元素。
滑石的密度为2.7～2.8g／cm3，吸油值20%～40%。硬度是矿物填料中 最小的一种，莫氏硬度为1，有柔软滑腻感。其颜色有白、灰绿、奶 白、淡红、浅蓝、浅灰等，有珍珠或脂肪光泽。
填料的分类
填料
无机填料
（碳酸钙，滑石粉、云母、高岭土、 二氧化硅、炭黑等）
有机填料 （木粉、棉短绒、麦秆等）
按照化学组成划分
氧化物、盐、单质和有机物
根据填料的几何形状
球形、无定形、片状、纤维状等。
3.1.2 填料的几何形态
形状分类
矿物实例
颗粒几何尺寸对比
长
宽
高
球形 立方形 块状或短
柱状
片状
纤维状
CaCO3，其热变形温度可提高20℃左右。 3) 改进塑料的散光性，起到遮光或消光的作用。 4) 改善塑料制品的电镀性能或印刷性能。 5) 减少制品尺寸收缩率，提高尺寸稳定性。
（2）硅酸盐
以硅酸盐矿物为主要原料制成的塑料填充用 填料有滑石粉、高岭土、云母粉、硅灰石粉 等，而玻璃纤维是最具增强效果的填料。
3.1.4常用填料品种及特性
（1）碳酸盐
碳酸盐类型的填料是塑料填料中最重要的一类。它以碳 酸钙为主，分子式为CaCO3。
碳酸钙分为天然矿石磨碎而成的重质碳酸钙和用化学法 生产的沉淀碳酸钙又称轻质碳酸钙。
两种天然碳酸钙矿石来源于石灰岩。 重质碳酸钙密度为2.6～2.94g／cm3，轻质碳酸钙密度为
2.4～2.6g／cm3。
(1) 轻质碳酸钙：这是用化学方法制造的碳酸钙，学名叫沉降性 碳酸钙。
(2) 重质碳酸钙：是指由石灰石经选矿、粉碎、分级、表面处理 而成的碳酸钙。它不象轻质碳酸钙那样，经过化学反应制得。 重质碳酸钙也叫三飞粉，是无味、无嗅的白色粉末，几乎不溶 于水。
(3) 胶质碳酸钙：又称为轻质活性碳酸钙，是一种白色细腻、软 质粉末，与轻质碳酸钙不同之处，是其粒子表面吸附一层脂肪 酸皂，使碳酸钙具有胶体活化性能，比重小于轻质碳酸钙，为 1.99～2.01。
表面自由能
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，当比表面积一定时，表 面自由能越大，颗粒相互之间越容易凝聚，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。
填料的物理化学性质
1.密度 2.吸油值 3.硬度 4.颜色及光学特性 5.热性能 6.电性能 7.磁性能 8.阻燃性能
3.1.3填料的表面形态与性质
表面粗糙程度
填料颗粒表面粗糙程度不同，即同样体积的颗粒， 其表面积不仅与颗粒的几何形状有关(球形表面积最小)， 也与其表面的粗糙程度有关。
比表面积百度文库
比表面积即单位质量填料的表面积，它的大小对填 料与树脂之间的亲合性、填料表面活化处理的难易与成本 都有直接关系。通常比表面积大小可通过氮气等温吸附方 法进行测定。
在380～500℃时可失去缔合水，800℃以上时则失去结晶水。滑石在 水中略呈碱性，pH值为9.0～9.5。
第三章 聚合物的填充与增强改性
3.1 填充增强材料 3.2 填充材料的结构与性能 3.3 纤维增强复合材料
填充改性就是在塑料成型加工过程中加入无机填料或
有机填料，使塑料制品的原料成本降低达到增量目的， 或使塑料制品的性能有明显改变，即在牺牲某些方面性 能的同时，使人们所希望的另一些方面的性能得到明显 的提高。