填充剂种类繁多,其特性也极复杂,根据其来源通常分为矿物性填料、植物性填料和工业填充剂。工业填充剂又可分为合成型和废渣型;根据其形状分为粉末状、球状、片状、柱状、针状及纤维状填充剂;根据其效能分为增量填充剂(或增量剂)、增强填充剂(或增强剂)和功能型填充剂;根据其化学组成分为无机填充剂和有机填充剂。一般说,塑料填充剂用作增量剂时较多,本节重点介绍增量填充剂,增强填充剂见2.7节。
1.无机填充剂
(1)碳酸钙(CaCO3)碳酸钙是目前最常用的粉状无机填料,其价格低廉,来源丰富,无毒无味,白度可达到96%,可自由着色,且化学稳定性好,易干燥,故在许多塑料中得到广泛应用。从填料角度碳酸钙可分为三类:重质碳酸钙、轻质碳酸钙和活性碳酸钙。
1)重质碳酸钙,简称重钙,由石灰石等经机械粉碎、筛选、分级、表面处理而制得。按其粉碎方法又分为干式重质碳酸钙(商品名双飞粉)和湿式重质碳酸钙。因其是机械粉碎,其形状无规则,粒子大小也不一,平均粒径为1~10μm,其中3μm以下的占50%,密度2.7~2.9g/cm3,几乎不溶于水。近年来,由于粉碎(如气流粉碎)和分级技术的进步,可以制得更微细的产品,甚至制得了0.1μm超细重质碳酸钙。重质碳酸钙常用于PVC中。
2)轻质碳酸钙,简称轻钙,是用化学方法生产的碳酸钙,又称沉淀碳酸钙,粒子形状多为纺锤形、针形或柱形,粒径为1~10μm,其中3μm以下的占80%,密度2.65g/cm3。轻质碳酸钙常用于聚烯烃中。
3)活性碳酸钙,又称胶质碳酸钙、改性碳酸钙,日本将其称为白艳华,是采用表面处理剂(硬脂酸,约3%质量分数)对轻质碳酸钙或重质碳酸钙粉体表面进行改性活化处理而成。外观为白色、细腻、软质的粉末,密度为1.99~2.01g/cm3。活性碳酸钙填充的塑料制品,具有一定的强度和光滑的表面,且润滑性良好,容易加工。
碳酸钙按粒度分级规定为:粒径为1~5μm时,称之微粒碳酸钙;粒径为0.1~1μm时,称之微细碳酸钙;粒径在0.02~0.1μm时,称之超细碳酸钙;粒径小于0.02μm时,称之超微细碳酸钙。目前生产超细级碳酸钙多采用连续喷雾炭化和喷雾干燥工艺(即双喷工艺),这样可使碳酸钙表观团粒微细化,且粒子表面活化均匀。当粒径为0.005~0.02μm时,其补强作用与白炭黑相当。
(2)滑石粉(3MgO·4SiO2·H2O)主要成分为水合硅酸镁,由天然滑石粉碎精选而得。外观为白色或淡黄色片状结晶,化学性质不活泼,有滑腻感,密度2.7~2.8g/cm3。滑石粉是一种用量仅次于CaCO3的填料,作为塑料填料,可提高制品的硬度、阻燃性、耐酸碱性、电绝缘性、尺寸稳定性、耐蠕变性,但用量过多,会影响产品的焊接性。由于滑石粉是片状填料,所以填充塑料时制品的刚性大,制品的各向异性小,可用于加工大型和平面制品。滑石粉主要用于PP,也可用于PVC、PE、PA及PC等树脂中。
(3)硅灰石(CaSiO3) 硅灰石是仅次于CaCO3和滑石粉的第三大填料。天然硅灰石具有β型硅酸钙化学结构,是针状、棒状及粒状混合体,其中以针状为主。外观为白色晶体,不带结晶水,吸湿性小,无毒,热膨胀系数小,热稳定性高,耐化学腐蚀、耐气候老化,力学性能及电性能优良。硅灰石的折光指数为1.62,与PVC混合料接近,是PVC透明制品的首选填料。由于硅灰石的针状结构,它对塑料具有一定的补强作用,可部分代替价格昂贵的玻璃纤维。硅灰石可用于PVC、PP、PE、PA、聚酯、环氧树脂(EP)及酚醛等树脂中,加入量一般在40%以下,并常用硅烷类偶联剂进行表面处理。
(4)高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O) 高岭土属于粘土中的一种,即粘土矿物的粉末,又称膨润土、白土、瓷土,是以含水硅酸铝为主要成分的硅酸盐之一,呈层状结构,质软且有滑腻感,密度为2.6g/cm3,PH=5~6,无毒,具有阻燃性。其成型加工性优于CaCO3,添加量达到树脂的3倍仍可以成型,而CaCO3填充量达到1倍即成型困难。高岭土有吸湿性,所以要注意贮藏条件,避免受潮。
作为塑料填料,高岭土具有优良的电绝缘性能,可作为PVC电线包皮,PE、PP电缆,薄膜复合材料等。例如在聚氯乙烯中加入质量为10%的高岭土,可提高电绝缘性能5~10倍;高岭土还可掺入到聚苯乙烯基的薄膜复合材料中,用来制造印刷纸张;高岭土作为聚丙烯的结晶成核剂,效果较好;用于聚酯和环氧树脂方面有耐磨及吸水性低的优点。
(5)云母 云母的组成十分复杂,是铝、钾、钠、镁、铁等金属硅酸盐化合物的总称。云母填料为天然云母碎片经粉碎加工而成的云母粉,其粒径通常为8~10μm,长径比通常为30左右,是典型的片状结构,具有玻璃光泽,含水量为1%~4.2%,无毒。作为塑料填充剂,可赋予制品优良的电绝缘性、抗冲击性、耐热性和尺寸稳定性,提高其耐湿性和耐蚀性。缺点为价格较高,一般应尽可能少选用。云母填料可用于PE、PP、PVC、PA、ABS、聚酯等热塑性塑料和EP、酚醛树脂(PF)等热固性塑料,加入量一般为10%~40%。
(6)硅藻土 是由单细胞藻类积沉于海底或湖底所形成的一种化石,主要成分为SiO2,多孔,质轻,极易研磨成粉,外观为白色或浅黄色粉末,粒径为25~40μm,密度为1.6~2.3g/cm3。硅藻土为一种优质的轻质填料,可用于PVC、环氧丙烷(PO)及热固性树脂;还可作为防粘连剂,用于轻质、隔音、隔热等建筑复合材料。缺点是吸油量及吸树脂量较大。
(7)炭黑 是在控制条件下不完全燃烧烃类化合物生成的物质,品种较多,按制法可分为槽法炭黑、炉法炭黑和热裂解法炭黑等。炭黑加入聚合物中既有保护光降解和抗热氧化作用,又能提高塑料制品的刚性。炭黑的细度影响着制品的性能,炭黑的颗粒越细,黑度越高,紫外线屏蔽作用越强,耐老化性能越好,制品的表面电阻率越低,但在某种程度上分散较困难。作为填料用的炭黑,可以使用较大粒径的炉法炭黑,一般为25~75μm。
(8)二氧化硅(SiO2) 是一类岩石粉末,可分为石英粉和硅石粉。天然SiO2粉,主要用于热固性树脂中,如可用于不饱和聚酯及EP中,生产人造玛瑙和人造大理石。SiO2也可以合成,一般称为白炭黑,是一种补强作用仅次于炭黑的填料,具有消光作用,但因价高而少用。
(9)二氧化钛 俗称钛白粉,是一种白色颜料,后来作为塑料填料使用,钛白粉中的二氧化钛约占97%,它具有优良的光学性能及物理、化学稳定性能,无毒,平均粒径0.1μm,呈球状结晶。根据晶型结构二氧化钛可分为锐钛型、金红石型、板钛型。金红石型二氧化钛作为塑料填料效果较好,它能使光的反射率增大,保护高分子材料内层免遭紫外光的破坏,从而起到光屏蔽剂的作用。另一个明显的作用是可作白色颜料,使制品达到相当高的白度,此时也可和其他填料并用,提高材料的寿命。添加二氧化钛可提高材料的硬度、耐磨性。
(10)硫酸钡(BaSO4) 可分为两种,一种是天然硫酸钡,即重晶石粉,密度4.4~4.5g/cm3,白色或灰色粉末,粒子较粗,粒径一般为2~5μm,性脆;另一种是合成硫酸钡,也叫沉淀硫酸钡,粒径为0.2~5μm,是无色斜方晶系结晶或无定形白色粉末,几乎不溶于水、乙醇及酸,溶于热浓硫酸中,干燥时易结块。作为塑料填料使用的硫酸钡大多为后者,可提高塑料的密度和耐蚀性,减少制品的X射线透过率。
(11)硫酸钙(CaSO4) 又名石膏,有天然石膏和化学沉淀硫酸钙。白色晶体,无味,无毒,经粉碎的天然石膏密度为2.36g/cm3,平均粒径4μm;天然无水石膏密度为2.95g/cm3,平均粒径2μm;沉淀无水硫酸钙密度2.95g/cm3,平均粒径1μm。可广泛用于填充与食品接触的工程塑料和PVC、PE及PP塑料制品中。
(12)氢氧化铝[Al(OH)3] 也叫水合氢氧化铝,白色结晶粉末,不溶于水和醇,表面粗糙,呈不规则形状,热分解温度340℃,可作为塑料阻燃填料。
(13)氢氧化镁[Mg(OH)2] 和氢氧化铝一样,也是难燃性填料,热分解温度340℃。但应用不及Al(OH)3广泛。适于填充混炼温度较高的聚丙烯等。
(14)石棉 白色至灰白色纤维状物质,化学性质稳定,耐碱性强、耐酸性差,绝缘、绝热性能好。作为塑料填料可提高制品的刚性、尺寸稳定性及高温时的防蠕变性。一般石棉的添加量为30%左右。(www.xing528.com)
(15)玻璃微珠 可以从粉煤灰中提取,也可以人工合成。玻璃微珠作为一种轻质塑料填料,由于其表面光滑、球状、中空、密度小,所以使得填充制品的流动性能好,残留应力分布均匀,常作为标准型填料。可用于PA、ABS、PS、PE、PP及PVC中。中空玻璃微球主要用于热固性树脂中,用于热塑性树脂时,受加工剪切易破碎。
(16)稀土矿物填料 稀土矿物填料是一种无机增韧填料,具体品种有氧化钕、氟碳铈、硝酸稀土盐、脂肪酸稀土盐、硬脂酸稀土盐、水杨酸稀土盐、苹果酸稀土盐、柠檬酸稀土盐及酒石酸稀土盐等。用于PA中可同时提高冲击强度和拉伸强度;填充聚四氟乙烯,可提高耐磨性;填充PVC提高耐热性。
(17)粉煤灰 粉煤灰是燃煤电厂所排放出来的废渣,其化学成分中SiO2和Al2O3是其主要活性成分,平均粒径80μm,密度2.0~2.4g/cm3,熔点1250~1450℃。粉煤灰作为塑料填料,由于其中含有圆而光滑的微珠,颗粒间聚集力很小,易于在树脂中均匀分散,填充量一般为40%以下。
(18)红泥 又称为赤泥,代号RM,是用铝土矿碱法生产氧化铝时所排放出来的废渣,是一种价廉易得的填料。红泥粒径比较小,一般粒径为20μm左右,且部分接近胶体微粒的尺寸,并且有多孔性。红泥易吸水,填充前要进行干燥处理,干燥条件为:105℃下干燥3h,然后在1000℃以上烧结1h。红泥作为塑料填料,可大大降低塑料制品的成本,还可作为廉价的热稳定剂和光屏蔽剂,提高耐光、热老化性能,延长塑料制品的寿命。红泥所用偶联剂以硅烷效果最好,使用量为0.5%~1.0%。
红泥在塑料中的添加量大于CaCO3,在软质PVC中,红泥可适当提高拉伸强度和断裂伸长率。红泥主要用于PVC、PE及PP中。对PVC而言,红泥不仅为填料,还可兼做廉价的热稳定剂和光屏蔽剂,可提高PVC的耐光、热老化性能。
(19)污泥废渣 制糖厂滤泥、硫酸厂制酸污泥、炼铁厂矿渣泥、硼砂泥,制碱厂苛化泥、造纸厂白泥等经过处理加工都可以作为塑料填料。这种用滤泥和污泥作填料的聚乙烯、聚氯乙烯复合材料可用来制造外观要求不高的农用管道、水勺、粪勺等。
2.有机填充剂
有机物填充剂一般分天然有机物和合成有机物两种。天然有机填充剂有碎纸、木粉、果壳粉、贝壳粉及棉、麻、稻等农副产品的粉末等,其主要成分是纤维素和少量的木质素及其他化合物。合成有机物填充剂主要为合成材料的边角废料、纺织工业的合成纤维及其下脚料、交联塑料和热固性塑料的边角料等。
有机填料可起到增强、降低成型收缩率、提高尺寸稳定性等作用,但由于耐加工温度性差,只可用于加工温度低的树脂,如PVC、PE、PP及大部分热固性树脂中。
(1)碎纸 可用牛皮纸、白纸、着色纸等废纸为填充剂。一般是将纸张浸泡于树脂中,干燥后切片,然后以此为材料压制成板材。
(2)木粉 木粉是最常用的有机类填料,其粒度为20~80μm,呈针状或纤维状,含水量大,加工前需要进行干燥。木粉填充塑料,使制品具有木材性质,比无机填料轻,所以可降低制品的密度。但会引起拉伸强度、耐热性、耐水性等性能下降。
木粉常用于PF树脂的填充,用木粉填充的PF压缩粉具有良好的综合性能及电性能,可用于机器零件、手柄、文具、开关,灯头、插座及纽扣等。此外木粉还可用于其他热固性树脂及少数热塑性树脂中。
(3)棉屑 棉屑是由棉布剪裁或棉纺净化后所获得,填充棉屑的塑料制品抗冲击性能有改善,而且体积大。
(4)花生壳 花生壳是含酚量高、来源丰富的廉价填充剂。花生壳粉表面无极性特征,吸水性也较木粉小。可适当改进HDPE、PS、PP的性能并降低成本。
(5)胡桃壳 胡桃粉是加工胡桃时产生的废料,由于含有大量木质树脂和角质蜡,所以它是不吸水的,且加工性能好,可提高填充制品表面的光泽度。
(6)棉、麻、稻草等粉末 属于纤维状填料,可提高填充制品的力学性能及耐磨性能等。
(7)玉米淀粉 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质量份,然后再添加到LDPE中去,可代替纸张作包装薄膜。
3.金属粉末
金属粉末也可作为塑料填料,如铁粉、铅粉、铜粉、铝粉、锌粉等,粉末细度一般为325μm。在塑料中加入金属粉末可提高材料的耐磨性及负载能力。加入铅粉可制出能屏蔽中子和γ射线的制品;在聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺中,加入青铜粉,可获得导热、导电性能良好的塑料制品。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。