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源磊告诉你|塑料用无机矿物填料你一定要知道的知识
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源磊告诉你|塑料用无机矿物填料你一定要知道的知识

分类:
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发布时间:
2020-03-05
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源磊告诉你|塑料用无机矿物填料你一定要知道的知识

 

塑料填充改性是指在纯树脂中添加非金属矿、有机材料、金属粉体等填料,以提升塑料树脂的各类性能,以达到所需要的技术指标或提高性价比。

 

 

1、填料的定义

 

ASTM(美国材料试验学会)把填料定义为:为改进强度和各种性质,或者为降低成本而在塑料中添加的较为惰性的物质。因此,塑料的填料往往选择非金属矿物。

 

顾名思义,塑料用非金属矿物填料通常可认为是大自然中存在被人工开采、加工利用具有上述定义性质的并被添加在塑料中的非金属矿物材料,通常被制成粉体。

 

 

2、填料的基本性质

 

  • 在塑料加工及使用过程中保持化学性质和物理形态的稳定;

  • 改善树脂的某些性能:提高刚性、提高耐热性、提高电绝缘性;

  • 改善耐候性、增加尺寸稳定性;

  • 着色力、导热性、导电性、阻燃性;

  • 价格低廉。

 

 

3、填料的基本要求

 

  • 化学性质稳定,相对纯度高,杂质含量低;

  • 颜色尽量为白色或浅色,不含铁等易加热变黄的杂质;

  • 不对塑料制品的理化性能指标产生严重损害;

  • 容易分散和混合,粒度适当;

  • 吸油值相对较低,对加工性无大影响;

  • 有合适的晶型结构;

  • 有较低的莫氏硬度;

  • 与树脂相比有相对便宜的价格。

 

 

4、填料的分类

 

根据其形状分为粉末状、球状、片状、柱状、针状及纤维状填料。

 

将塑料中应用较多的填料按化学成份进行分类如下:

 

氧化物:二氧化硅、硅藻土、氧化铝、二氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化镁、三氧化二锑、高铁酸钡、高铁酸锶、氧化铍、氧化铝纤维。

 

氢氧化物:氢氧化铝、氢氧化镁、盐基性碳酸镁。

 

碳酸盐:碳酸钙、碳酸镁、白云石、碱式碳酸纳铝。

 

(亚)硫酸盐:硫酸钡、硫酸钙、硫酸铵、亚硫酸钙。

 

硅酸盐:滑石粉、粘土、云母、石棉、硅酸钙、蒙脱土、膨润土、玻璃微珠、玻纤。

 

碳素:炭黑、石墨、碳素中空球、碳纤维。

 

其它:硼酸锌、硼酸钙、硼酸纳、偏硼酸钡、钛酸钾。

 

5、填料的功能性

 

填料的功能性是指经加入填料后,让高分子建材能获得以往没有过的性能或强化和改变了某些性能,比如电性能、阻隔性能、光学性能、燃烧性能等:

 

(1)脱湿功能性填料:氧化镁、氧化铝;

 

(2)阻燃功能性填料:氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸锌、三氧化二锑、二硫化钼等;

 

(3)防紫外线性填料;炭黑、二氧化钛、氧化锌、氧化铁等;

 

(4)电磁波吸收性填料:木炭粉、石墨粉、铁酸盐等;

 

(5)光反射性填料:二氧化钛、氧化锌、氧化铁、碳黑等;

 

(6)润滑性填料:石墨、二硫化钼、花石粉、玻璃微珠、氮化硼、聚四氟乙烯粉等;

 

(7)导电性填料:各种金属粉、炭黑、部分金属氧化物粉体

 

(8)导热性填料:各种金属粉体、纤维、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化铍等;

 

(9)磁性填料: 氧化铁粉等各种磁粉;

 

(10)隔音填料:铝粉、铁粉、木粉、中空玻璃微珠、硫酸钡、硫酸钙等;

 

(11)耐磨性填料:碳纤维、石墨、二硫化钼、氧化铬、石英粉;

 

(12)抗冲改性填料:玻璃纤维及各种纤维、超细粉体;

 

(13)耐热填料:稀土尾矿、矿棉、

 

(14)抗剪切改性填料:三氧化二铝

 

(15)耐酸改性填料:硫酸钡、硫酸钙

 

 

6、填料对制品性能的影响规律

 

  • 比重随填料的加入量增加而增大。

  • 表面硬度随填料的加入量增加而增大。

  • 刚性随填料的加入量增加而增大。

  • 抗弯强度随填料的加入量增加而下降。

  • 断裂伸长率随填料的加入量增加而下降。

  • 表面光泽度随填料的加入量增加而下降。

  • 冲击强度随填料的加入量增加一般为下降;

  • 如填料外型为针状、纤维状,则一般为增强。

  • 耐温性随填料的加入量增加而增大。

 

 

7、实际应用时要求填料的特性

 

  • 粒径及粒径分布。

  • 晶型结构。

  • 吸油性。

  • 分散性。

  • 粘度特性。

  • 刚性与硬度。

  • 电气性能。

 

(1)制品化学稳定性高,耐热性好,在加工温度不分解,不影响塑料树脂原有的物理机械性能。例添加后引起制品因弯曲、拉伸而产生的泛白现象要小。

 

(2)制品与其它加工助剂混合后不发生化学反应。

 

(3)制品在塑料树脂中分散混合性好,不影响加工性能,对设备磨损小。

 

(4)制品吸油量和吸收塑料树脂量小。

 

(5)制品不含促进树脂加速分解的杂质。

 

(6)制品不溶于水、油脂、一切溶剂,不吸潮、不含结晶水(阻燃剂除外)、耐酸耐碱。

 

(7)制品填料粉体外观色泽均匀、粒径粗细一致。

 

(8)制品价廉并且来源丰富、稳定,不同批量填料之间的质量波动要小。

 

 

8、几种常见的纳米矿物填料

 

(1)纳米蒙脱土(MMT)

 

蒙脱土是一种天然矿物质材料,可用于塑料的阻隔改性。蒙脱土具有亲水疏油性能,与大多数树脂的相容性都比较差,要与树脂形成良好的复合材料,首先要对其进行疏水亲油改性处理,以提高与树脂的相容性。

 

利用蒙脱土的良好插层性能可以进行长链有机化合物的插层,大幅度提高与各类树脂的相容性,制造多种纳米塑料填充材料,同时改善复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度,这正是目前纳米材料的研究重点。

 

目前,已成功开发出如PA6/蒙脱土、PET/蒙脱土、PMMA/蒙脱土、PI/蒙脱土、EP/蒙脱土、PS/蒙脱土等复合材料。

 

(2)纳米凹凸棒粘土(AT或ATP)

 

凹凸棒粘土是一种水合镁铝硅酸盐非金属矿物,呈水晶链层状结构,但与蒙脱土的层状结构明显不同,凹凸棒石为一种天然纤维状晶体形态结构的含水富镁的铝硅酸盐矿。

 

由于纳米级的晶棒很容易聚集,因此凹凸棒石与聚合物的混合只能是微米级的混合,起到增量填充的作用。凹凸棒石表面大量的硅羟基与非极性聚合物相容性差,填充前要进行表面处理。目前凹凸棒石在塑料中应用主要集中在PET和PA成核剂和隔热材料。

 

(3)纳米伊利石

 

伊利石是一种含钾铝硅酸盐云母族粘土矿物,又称为“水白云母”。伊利石的成份比较复杂,其具体组成在一定范围内变化,因而其应用受到一定限制。

 

伊利石粉作为片状增强填充料兼有增量和改性双重效果。以在PVC中填充为例,加入量在3份左右时,拉伸强度、冲击强度都达到最大值,而弯曲强度、弯曲模量和热变形温度在10份以前都缓慢增加。伊利石在增强增韧的同时,可改善塑料的尺寸稳定性、耐蠕变性、气体阻隔性、绝缘性和防止翘曲性。

 

(4)纳米海泡石

 

海泡石为含水的镁硅酸盐,具有链状和层状纤维的过渡结构,属于2:1层链结构粘土。

 

海泡石作为针状增强填充料兼有增量和改性双重效果,这一点同伊利石相似。以在PVC中填充为例,加入量在3份左右时,拉伸强度、冲击强度都达到最大值,弯曲强度下降,而弯曲模量和热变形温度在10份以前都缓慢增加,尤其是弯曲模量增加较快。

 

(5)纳米蛋白石

 

蛋白石又称为蛋白土,是一种含水非结晶或胶质的活性二氧化硅。蛋白石的外观为致密的玻璃状块状体,颜色有白色、灰色和淡蓝色多孔状,相对密度2.07,属于比较轻的无机填充材料。

 

蛋白石在聚乙烯中填充具有明显的刚韧改性作用,例如钛酸酯偶联剂处理的3000目蛋白石在HDPE中加入30%,拉伸强度基本持平,而冲击强度提高160%。加入ABS中也可以明显改善冲击强度。

 

(6)纳米碳酸钙

 

纳米碳酸钙属于轻质碳酸钙的一种,是在生产轻质碳酸钙碳化的过程中通过控制碳化工艺条件和添加结晶导向剂控制而得到的。不同形状纳米碳酸钙的用途不同,针状和链状纳米碳酸钙可以实现补强目的,球形纳米碳酸钙可以实现增韧的目的,空芯球形纳米碳酸钙可以实现轻量化填充的目的,片状纳米碳酸钙可以提高复合材料的阻隔性,还可以利用其高遮盖力代替部分钛白粉。

 

(7)纳米二氧化硅

 

纳米二氧化硅就是气相二氧化硅,是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,由于其粒径很小,因此比表面积大、表面吸附力强、表面能大、化学纯度高、分散性能好以及在热阻和电阻等方面均具有优异的性能,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性,在众多学科及领域内独具特性,有着不可取代的作用。

 

在塑料中,白炭黑是一种补强作用仅次于炭黑的填料,常用于和塑料形成复合塑料,加入量为3%~5%,并能提高复合塑料的性能。尤其是用白炭黑填充硅胶,是典型的增强复合材料。在PP/二氧化硅复合体系中,冲击强度可以达到3.7kJ/m2。用PP/二氧化硅复合材料进行微发泡,冲击强度可以达45.7kJ/m2。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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