(中國粉體技術網/班建偉)隨著世界石油價格的攀升,在塑料制品中使用無機非金屬礦物填料降低成本在塑料制品生產中具有重要的意義。同時,無機非金屬填料的加入,改善了塑料產品機械性能,甚至還賦予塑料產品一些特殊的功能,例如可以提高塑料的剛性、硬度、尺寸穩定性。人們常用的無機填料包括碳酸鈣、云母、硅灰石、滑石、高嶺土、二氧化硅、二氧化鈦、硫酸鈣,我國碳酸鈣的使用量占總使用量的87% ,這主要是考慮碳酸鈣具有廉價、易干燥、硬度低、顏色白、化學性質穩定、無毒等特點。
無機非金屬礦物填料在聚合物復合材料中的作用,概括起來就是增量、增強和賦予新的功能。但是,因為無機非金屬礦物填料和有機聚合物相溶性較差,所以對無機非金屬礦物填料進行改性,提高其與有機聚合物的相溶性,避免直接添加造成的應力分散不均。
1 非金屬無機礦物填料的性質
無機礦物填料的性質對塑料產品的影響是多方面的。例如其物理化學組成及性質、粒徑大小及分布、顆粒形狀及表面性質、以及密度、硬度、白度等,它們對塑料的性能和工藝參數要求都有影響。
1.1 填料的幾何形狀特征
表1列舉了部分礦物在加工成顆粒后的幾何形狀特征。
不同幾何形狀的填料顆粒對其塑料制品的強度影響一般是纖維狀>片狀>柱狀>立方體>圓球形。
1.2 填料的粒徑及表面特征
一般來說,無機非金屬礦物填料的顆粒粒徑越小,那么在分散均勻的情況下塑料的力學性能就越好,陳龍、胡圣飛和孫水升等都以實驗證明。Noble Polymers公司生產的PP/黏土納米復合材料已用于本田Acura TL 2004汽車。它取代了玻璃纖維增強PP 因為玻璃纖維增強PP成型困難、不透明、易彎曲。
這種PP/黏土納米復合材料的密度只有0.928 ,機械性能優異,外觀得到了改善,且可多次回收利用。
Chan等把粒徑在44nm左右的納米CaCO3與PP在Haake流變儀中進行熔融共混,研究發現當填充量在9.2%以下時,納米CaC03在PP中分散均勻,復合材料的拉伸強度增加了85%左右,缺口沖擊強度增加300%[。但在減小填料顆粒粒徑的同時也使加工工藝變得復雜,成本也隨之提高。另外,填料顆粒的表面粗糙程度和自由能的不同也對塑料制造工藝有影響,在實際生產中要求降低填料顆粒表面自由能來避免顆粒之間凝聚,從而避免產品應力分布不均。
1.3 顆粒的其他物化性質
無機填料顆粒的其他物理化學性質的描述和影響見表2和表3。部分礦物填料對塑料性能的影響見表4。
2 無機非金屬礦物填料的應用現狀
雖然非金屬礦物填料在塑料的生產中應用廣泛,并且用量巨大,但是仍只限于碳酸鈣和滑石粉等少數幾種,還有待于進一步探究和使用其他填料或混合使用,例如硅灰石,其在國外應用較廣, 在中國也有廣闊的發展空間?,F有的工業化塑料生產中填料改性技術相似,有待于創新。
填料的品質和功能及價格是不同的,企業有時出于成本考慮會采用品質和價格較低的填料來代替,例如云母粉的價格比較高,表面處理的難度也比較大,在有些場合塑料加工企業轉而使用效果雖然差些,但價格相對低廉的滑石粉。煅燒高嶺土也面臨同樣的問題,雖然在農用塑料棚膜中使用高嶺土(或云母粉),其紅外線阻隔性優于滑石粉,但價格比滑石粉高一倍以上,致使很多塑料廠在加工高保溫功能的塑料棚膜時使用滑石粉,所以對于一些具有特殊用途的材料需用行業標準加以規范。此外,國內新研究轉化為實際生產力周期過長,將其盡快工業化是非常必要的,一旦在某些環節上取得進展,如增重問題,成型收縮率問題,都會給塑料加工行業帶來革命性的變化。而且非金屬礦物產業和塑料產業可以加強合作,實現市場雙贏。
3 無機非金屬礦物填料的展望
填料是塑料材料的重要添加劑之一。隨著科學技術的提高,無機填料可以降低塑料成本和提高塑料某些物理和化學性能,即同時具有增量和補強功能。填料的研究應著重從增量的數量和補強的范圍上進行研究。開發性能優越、成本低廉的偶聯荊對填料進行改性,增加填料加量降低成本,同時盡可能小的影響制品的物理和化學性能,甚至提高制品的性能。對填料在不同塑料中應用時顆粒的形狀和大小、粒徑分布、堆砌狀況等對塑料性能影響進行深入的研究,制備專用填料。通過深入的研究,期望提高制品相對的沖擊、拉伸強度、加工流動性、表面光澤等性能,具有明顯的補強效果。
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