填料对塑料的加工性能以及材料性能的影响

填料对塑料的加工性能以及材料性能的影响填料对聚氯乙烯塑料加工性能以及材料性能的影响基本上符合填料对大多数塑料影响的一般规律。

1填充塑料的加工性能

填料对塑料加工性能的影响主要体现在对熔体粘度的影响和熔体弹性(或刚性)的影响。众所周之，包括大多数塑料在内的热塑性塑料。聚合物只有达到粘流态才能进行成型加工，聚合物处于粘流态流动并发生形变的行为称之为高聚物的流变行为。在通常的成型加工过程中，处于粘流态的高聚物的流变行为属于非牛顿液体，即在τ＝ηγ式中，表观粒度η不再是一个常数，它仅仅是在测定该流体流动时所施加的剪切应力τ和当时所发生的剪切速率的比值。

我们所关心的是在加入填料以后，填充塑料体系的流变性能发生什么变化以及采取何种相应措施确保成型加工顺利进行。

填料对填充体系影响最显著的是熔体的粘度。EinStein研究填料浓度对填充体系粘度的影响时给出如下方程式［3］：

η＝η1（1＋Kgυ2）

式中η1填料时的体系粘度；

υ2为填料粘度；

Kg依球状、纤维状、单轴取向填料不同而取不同值，该式均适用于不同形状分散相粒子浓度较低时的情况，当浓度高时还需对方程式加以修证。

分散相的几何形状对填充体等粘度的影响是明显的，对于同样长径比的填料，片状填料对填充体系的影响甚至高于纤维状填料。

填料的粒径越小，在同样浓度(质量分数)时，填充体系的粘度越高，而且粒径越小，相互之间越易聚集在一起，呈聚集态的填料对填充体系的流动性是不利的，见图。图中曲线1、2、3分别代表多个填料颗粒聚集在一起三个填料颗粒聚集在一起和填料以单个颗粒形式分散在基体中的情况。

填充体系中填料的体积分数

由图可知，在同样体积分数时，呈聚集态的填料对应的填充体系粘度高于聚集程度轻微的或以单个粒子形式存在的填料对应的填充体系粘度。由此可以看成对填料进行表面处理，降低其表面能，对于填料在基体塑体中的分散和减小因加入填料使填充体系粘度的上升都是非常必要的。

总之，为了使填充体系有较好的加工流动性，我们应采用较高的剪切应力，较高的加工温度，同时应尽可能对填料表面进行适当的处理，并加人相应的助剂，以利于填料在基体塑料中的分散，使填充体系加工过程中处于较低的剪切粘度。

填料对填充体系加工的另一个影响是离模膨胀现象减轻，可以说成能够减小挤出胀大比。熔融物料离开口模时其直径要大于模口直径，但填料存在使聚合物的刚性增大，弹性减小。

2填充塑料的力学性能

填料的加入对基体塑料原有的力学性能可能带来我们所希望的变化，但在大多数情况下将会产生使其他性能下降的影响。

填料的加入总是使填充塑料的弹性模量高于基体塑料，这首先要归因于填料的模量比高聚物的模量大很多倍。其次，分布窄、粒径大的填料对应的填充体系弹性模量增加较少;填料的纵横尺寸比较大，填充体系的弹性模量增加显著，如片状或纤维状填料。

材料的拉伸强度反映的是单位截面面积上可承受拉伸应力的大小情况。如果填料表

面占基体树脂之间没有任何联系，甚至存在着空洞或气泡，那么随着填料份数的增加，真正承受拉伸应力的基体树脂在某一单位截面上的比例减小，拉伸强度的下降是自然的。填料的粒径越大颗粒随基体树脂变形的可能性越小，相互之间产生空洞越明显，拉伸强度的下降也越大。

并不是填料的加入一定会使填充体系的拉伸强度下降。如果填料的表面得到妥善的处理，通过偶联剂或其他表面处理剂使填料和基体树脂两相之间产生相互纠缠的过渡层;或者，如果填料的存在有利于基体塑料大分子沿拉伸方向迅速取向;或者填料本身具有较大的长径比，如玻璃纤维，碳纤维等，而这些纤维增强型填料的排列方向和受力方向一致，且纤维表面占基体塑料粘合良好，那么填充体系的拉伸强度不仅不会下降，反而还会高于纯基体塑料。表1列出不同几何形状的几种填料对填充HDPE塑料拉伸强度的影响。

表1不同几何形状的填料填充HDPE对拉伸强度的影响单位：MPa

填料种类几何特征填充份数

11020304050

透闪石纵横比24：128.1328.5029.7030.4030.0228.23

大理石比表面积稍大，块状28.1328.3028.4929.1529.6530.25

方解石重钙块状28.1328.3028.1526.9524.1220.37

粉煤灰光滑球状28.1323.8021.1028.9017.6016.25

表2和表3分别列出不同填料填充PP塑料时的拉伸强度数值及碳酸钙粒径大小对填充HDPE塑料薄膜力学性能的影响

表2不同填料填充PP的拉伸强度MPa单位：MPa

纯PPPP+40%CaCO3PP+40%滑石粉PP+30%玻纤PP+40%云母末经表面处理PP+40%云母已经表面处理

33.9019.029.4443.7127.9242.68

表3碳酸钙粒径大小对填充HDPE薄膜力学性的影响

CaCO3粒径拉伸强度(纵/横)/MPa断裂伸长率(纵/横)%

过400目22.6/20.7309/286

过1250目28.2/27.3342/347

过2500目32.3/31.7350/410

填充体系因填料的存在在受到拉伸应力时其断裂伸长率都有所下降。填料的粒径较小时，如果能在基体塑料中分散好，那么对断裂伸长率下降的影响相对就小一些。

填料的加入往往会使填充体系的冲击强度明显下降，这是填充改性获得多种利益的同时带来材料性能劣化的重要方面。作为分散相的填料颗粒在基体中起到应力集中剂的作用，由于填料颗粒是刚性的，不能在受力时变形，也不能终止裂纹或产生银纹以吸收冲击能，因此会使填充塑料的脆性增加。当然，填料的几何形状、分散情况及填料与基体塑料粘合情况都会或多或少影响到冲击强度，甚至还可以使填充体系的冲击强度上升。近几年发展起来的刚性粉子增韧理论认为在塑料中加入刚性粒子，包括有机刚性粒子和无机刚性粒子，可以在不降低填充塑料强度和刚性的同时，提高其冲击强度，此时材料的加工流动性和热变形性也不受影响。

无机刚性粒子欲起到增韧作用，首先要具有适当大小的粒径。小粒径的无机刚性粒子表面非配对原子多，与聚合物发生化学的或物理的结合的可能性大，如果这些小粒径粒子又占基体聚合物粘合良好，就有可能在应力作用下吸收变化，促进基体的由脆到韧的转变。

例如用超细碳酸钙填充PVC塑料时，PVC塑料占CaCO3的质量比分别为100：3和100：6时，填充体系的拉伸强度较低PVC基体有所降低，但冲击强度和断裂伸长率却有所提高。如果再加入刚性有机物SAN（笨乙烯和丙烯腊共聚物）或PS，填充体系的冲击性能还有较大