1 前言
無機粉體是塑料中應用量大、使用方便的新型功能改性材料,可改善和提高塑料制品的物理性能和化學穩定性,是滿足或達到人們對塑料制品應用要求的新材料。本文結合自己多年來從事塑料改性實際工作,就無機粉體在塑料中的應用工藝與發展前景作一簡要介紹,僅供參考。
2 無機粉體在塑料中的應用品種
塑料中常用的無機粉體主要有:碳酸鈣、滑石粉、硅灰石、云母等。隨著科學技術和市場需求的快速發展,無機材料在塑料中的應用品種和特性等都得到了擴展,不但給塑料工業帶來新的功能,還將提升無機粉體的價值和認知度。
2.1 碳酸鈣
碳酸鈣資源豐富,價格低廉,性能優異,已成為塑料中應用量最大、應用領域最廣的無機粉體材料。碳酸鈣分為重質碳酸鈣和輕質碳酸鈣。重質碳酸鈣是把天然礦石用機械磨碎得到的粉體,它的密度2.7g/cm3。輕質碳酸鈣是通過化學反應得到的沉淀碳酸鈣,它的密度約為1.2~1.9g/cm3。
2.1.1 碳酸鈣在塑料中的應用領域
PVC 板材、片材、裝飾材料、型材、管材等產品是使用輕鈣最早最普遍的塑料制品,目前有的廠家開始使用重鈣,生產環境和加工成本都有明顯改觀。
隨著生產技術的不斷發展,碳酸鈣在塑料制品中的添加量和應用領域不斷擴大,大約有80%的PP、PE 制品添加碳酸鈣填充改性母料,重鈣在PVC、PS、ABS的片材、包裝材料、注塑等方面都得到應用。
2.1.2 濕法超細活性重鈣在塑料中的應用特點
塑料工業的快速發展,對重鈣的要求越來越高。目前,國內外將方解石類粉碎到一定細度后,再在水溶液中加入少量分散劑、表面改性劑進行濕法研磨、脫水、干燥、粉碎而成為粒徑更細、分布更均勻、表面改性活化后的粉體。我們將此產品在PVC、PP、PE、PA 等樹脂材料中應用,塑料產品外觀平滑光亮,添加量提高5%~10%。塑料制品應用后的物理性能參見表1。
2.2 滑石粉
滑石粉在我國主要分布在廣西桂林、山東棲霞和遼寧海城等地區。目前,由于礦藏量急劇減少,滑石的品質也受到一定的影響。
2.2.1 滑石粉在塑料中的應用特點
(1)滑石的密度為2.7~2.8g/cm3,與重鈣相近。
(2)滑石的莫氏硬度為1,在無機粉體中硬度最低,對設備磨損最小。
(3)滑石呈層狀結構,相鄰的兩層靠微弱的范德華力結合,在外力作用下,
相鄰兩層之間極易滑移或相互脫離。因此,滑石粉在塑料加工中,在機械設備的摩擦、擠壓等作用下,滑石粉顆粒極易層層剝離開,從而形成新的顆粒結構并團聚,雖然經過偶聯劑或其它化學表面處理技術,但達到較好的表面活化改性效果,尚需采取特殊工藝。
(4)滑石對塑料產品顯著的增強作用主要來自于其獨特的微觀片狀結構。加工后的滑石粉片狀結構保持的越完整,其增強效果越明顯。較大的徑厚比(片狀顆粒平均直徑與其厚度之比)可提高塑料制品的剛性、沖擊強度、彎曲模量和熱穩定性。
(5)高品質超微細滑石粉成片狀結構,用于塑料制品時,可均勻的成層疊狀分散在樹脂中。如同水泥制品中嵌入的金屬結構網,能夠在保持塑料的自身優點外,形成力學性能優異的增強支撐形態,可提高塑料制品的物理性能,還具有明顯的保溫、阻隔作用。
(6)滑石和云母、高嶺土等含硅(Si)的礦物都具有紅外線和紫外線的阻隔性,在塑料制品中具有明顯保溫、耐老化等效果。
2.2.2 滑石粉在塑料中的應用領域
滑石粉可廣泛用于PP、PE、PS、PA、ABS、PC、PVC 等樹脂。滑石粉在降低塑料制品生產成本的同時,還具有顯著改善塑料制品的剛性、耐熱性、抗蠕變性,降低收縮率等優點。
滑石粉可改變太陽光波照射方向,使直射光轉變為散射光,阻隔紫外線照射,改善塑料制品耐老化和降解性能,提高使用壽命。在飛機、航空、航天、軍工等塑料制品中,滑石粉的耐化學性、高低溫穩定性及優異的機械性能都得到了認可。
在中空制品中添加適量的滑石粉,可降低生產成本,減小收縮率,改善剛度,提高制品使用壽命?;蹚V泛應用于汽車保險杠、儀表盤飾件、內裝飾面板、管類、隔熱板及塑料零件等,可提高塑料制品的沖擊強度,改善高溫下的抗蠕變性能,降低收縮率,賦予制件表面質量更加優良,外觀更加華麗,觸摸感更適宜。
滑石粉在注塑制品中應用可明顯改善注塑產品的力學性能,降低注塑零件的澆口、邊緣等收縮造成的凹陷,改善外觀效果及手感性,有著不可替代的優勢和特性。
2.3 硅灰石
2.3.1 硅灰石在塑料中的應用特點
硅灰石屬天然的硅酸鈣(CaSiO3),呈淺白色針狀結構,加工后的硅灰石長徑比(L/D)可達15/1 以上,是塑料中纖維狀的無機增強填料,具有極好的抗張強度和抗撓曲強度,并且具有特別好的耐濕性能。
硅灰石是塑料增強改性新的無機材料,雖然在塑料制品中受其白度和加工工藝等方面的制約,但隨著它的特性逐漸被人們所認識,應用范圍和用量也有較快的增長。
2.3.2 硅灰石在塑料中的應用領域
硅灰石可廣泛用于PET、PA、PE、PP、ABS 等樹脂,它的許多性能與滑石、石棉和云母等無機粉體相類似,硅灰石作為塑料中的無機填料,對其表面活化改性處理,以提高或保證不同材料界面相容效果。
硅灰石是較為完整的針狀結構,可作為樹脂的增強材料以改進塑料復合物的性能。硅灰石填充的聚合物體系的撓曲強度和抗張強度優于其他許多填料填充的聚合物體系。在暴露于紫外光和水浸漬的條件下,硅灰石填充的體系有優異的性能。
硅灰石用于大型塑料管材、片材、薄膜、中空及注塑等產品中,可改善塑料制品拉伸強度、環剛度、撓曲性及收縮率等。用于各種包裝瓶、中空桶中還可提高耐熱性和阻隔性,是塑料制品中新的無機改性材料品種之一。硅灰石在改性PA6 和改性PP 中的應用特性見表2、表3。
2.4 硫酸鋇
將天然礦石(重晶石)經粉碎、水洗、干燥后制得為重晶石粉(也稱重質硫酸鋇),呈白色,密度為4.3~4.6g/cm3。重晶石加熱至1100℃還原生成可溶性硫化鋇,再與硫酸或硫酸鈉作用生成沉淀硫酸鋇(也稱輕質硫酸鋇),粒徑細,白度可達92 度以上。
硫酸鋇具有比重大、光澤好、熱穩定性好和加工性能優異等特點。硫酸鋇獨特優異的性能,使其應用十分廣泛,成為塑料制品新的功能改性材料之一。硫酸鋇具有提高塑料制品的耐化學腐蝕性、耐熱性、改善產品外觀等特點。硫酸鋇可用于PP、ABS、PA、PET 等樹脂生產的家電外殼、機械零件、汽車部件、空調面板、電熱壺外殼等。
硫酸鋇還可以增加塑料制品的比重,改善塑料的耐磨性、耐老化性,提高光亮效果等,擴大塑料制品的應用領域。
2.5 云母
云母指的是天然白云母,是一種具有獨特結構的層狀鋁硅鹽酸礦物,單斜晶系,晶體呈假六方片狀。白云母薄片透明無色,厚片略帶淺綠、黃、橙等色,玻璃光澤,解理面呈珍珠光澤,硬度2.5~3.1,比重2.76~3.10g/cm3。
云母可改善塑料的物理性能 云母具有較好的增強作用,可提高機械部件、車輛零件、木塑制品、家電外殼、包裝制品、薄膜、拉絲和繩索等塑料產品的物理性能。
云母可改善塑料的氣密性 云母粉具有優異的薄片狀晶形,有效阻隔面積很大。在塑料加工中,經過壓延、拉伸等作用,云母晶片取向既可在塑料內形成平行取向排列,與氣體、液體的滲透方向相垂直,從而在塑料等材料內形成層層阻隔,使氣體和液體極難穿透。在塑料中加入云母粉后,可以用來生產啤酒瓶、藥物包裝瓶、防潮防滲漏材料以及特種塑料包裝材料,起到屏蔽光輻射的效能,以改善產品儲存效果。
云母可改善塑料的光學性能 云母晶片具有反射、散射紅外線和吸收、屏蔽紫外線等功能。在農膜中加入云母粉,可阻隔紅外光向外散失,還能散射紫外光,提高大棚、地膜的保溫效果。
云母可改善塑料制品的絕緣性能 云母本身是高性能絕緣材料,具有極高的電阻性。在塑料中添加片徑比大的云母粉,可有效提高其絕緣性,還可改善塑料制品的耐熱性等。
2.6 沸石
沸石(Zeolite)最早發現于1756 年。沸石是沸石族礦物的總稱,是一種架狀含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物,密度為1.92~2.80g/cm3,莫氏硬度為5~5.5。
由于天然沸石是一種最典型的具有納米介孔結構的非金屬礦,可作為制造納米結構組裝材料的載體與媒介,正日益受到科技界的密切關注。沸石晶體的大量孔穴和孔道,使沸石具有很大的比表面積,具有很強的選擇性吸附能力;天然沸石還有著良好的耐酸性和熱穩定性,具有在水溶液中與其他陽離子進行可逆交換的性質;沸石的催化性能表現為當某些反應物質寄附于沸石晶體內部孔穴的表面上時,其反應速度有所加快,且反應生成的新物質又可以從沸石內部擴散釋放出來,所以沸石在化工、環保方面作為分子篩廣泛用作吸附劑、離子交換劑、催化劑、凈化處理劑等等。
沸石是近年來塑料界關注的新的改性材料,沸石的比重、納米微孔結構及它的吸附性和耐化學穩定性可為塑料制品擴大應用領域提供新的發展空間,特別是在有害氣體吸附、家居裝飾、汽車內飾、鞋體材料等方面進行了諸多研究,取得了令人驚喜的效應。
2.7 其他無機粉體在塑料中的應用
高嶺土可提高玻璃化溫度較低的熱塑性塑料的拉伸強度和模量,提高塑料制品的剛性和強度,加入到聚丙烯中還可以起到成核劑作用。高嶺土對紅外線的阻隔作用非常顯著,在軍事器材上已得到應用,在薄膜中應用可提高保溫效果。
高嶺土在煅燒后可明顯提高塑料的電絕緣強度,可用于電線、電纜及耐高壓絕緣產品,在長距離特高壓電力輸送方面有著廣闊的研究發展空間。高嶺土顆粒具有極強的凝聚傾向,采用特殊表面活化處理技術才能達到均勻分散的目的。
木粉、竹粉、秸稈粉與塑料復合生產成木塑制品,在國內外得到了大量的推廣應用,因來源豐富、價格低廉受到用戶青睞,但它的耐熱性是制約用量和用途的主要瓶頸。
玻璃微珠(電廠粉煤灰)具有比重小、硬度大、流動性好等優點,可用于注塑、中空等塑料制品的填充改性。不同材料填充的聚丙烯、尼龍66 的性能見表4、表5。
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