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源磊告訴你|塑料用無機礦物填料你一定要知道的知識

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發布時間:
2020-03-05
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源磊告訴你|塑料用無機礦物填料你一定要知道的知識

 

塑料填充改性是指在純樹脂中添加非金屬礦、有機材料、金屬粉體等填料,以提升塑料樹脂的各類性能,以達到所需要的技術指標或提高性價比。

 

 

1、填料的定義

 

ASTM(美國材料試驗學會)把填料定義為:為改進強度和各種性質,或者為降低成本而在塑料中添加的較為惰性的物質。因此,塑料的填料往往選擇非金屬礦物

 

顧名思義,塑料用非金屬礦物填料通常可認為是大自然中存在被人工開采、加工利用具有上述定義性質的并被添加在塑料中的非金屬礦物材料,通常被制成粉體。

 

 

2、填料的基本性質

 

  • 在塑料加工及使用過程中保持化學性質和物理形態的穩定;

  • 改善樹脂的某些性能:提高剛性、提高耐熱性、提高電絕緣性;

  • 改善耐候性、增加尺寸穩定性;

  • 著色力、導熱性、導電性、阻燃性;

  • 價格低廉。

 

 

3、填料的基本要求

 

  • 化學性質穩定,相對純度高,雜質含量低;

  • 顏色盡量為白色或淺色,不含鐵等易加熱變黃的雜質;

  • 不對塑料制品的理化性能指標產生嚴重損害;

  • 容易分散和混合,粒度適當;

  • 吸油值相對較低,對加工性無大影響;

  • 有合適的晶型結構;

  • 有較低的莫氏硬度;

  • 與樹脂相比有相對便宜的價格。

 

 

4、填料的分類

 

根據其形狀分為粉末狀、球狀、片狀、柱狀、針狀及纖維狀填料。

 

將塑料中應用較多的填料按化學成份進行分類如下:

 

氧化物:二氧化硅、硅藻土、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎂、三氧化二銻、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、氧化鈹、氧化鋁纖維。

 

氫氧化物:氫氧化鋁、氫氧化鎂、鹽基性碳酸鎂。

 

碳酸鹽:碳酸鈣、碳酸鎂、白云石、堿式碳酸納鋁。

 

(亞)硫酸鹽:硫酸鋇、硫酸鈣、硫酸銨、亞硫酸鈣。

 

硅酸鹽:滑石粉、粘土、云母、石棉、硅酸鈣、蒙脫土、膨潤土、玻璃微珠、玻纖。

 

碳素:炭黑、石墨、碳素中空球、碳纖維。

 

其它:硼酸鋅、硼酸鈣、硼酸納、偏硼酸鋇、鈦酸鉀。

 

5、填料的功能性

 

填料的功能性是指經加入填料后,讓高分子建材能獲得以往沒有過的性能或強化和改變了某些性能,比如電性能、阻隔性能、光學性能、燃燒性能等:

 

(1)脫濕功能性填料:氧化鎂、氧化鋁;

 

(2)阻燃功能性填料:氫氧化鎂、氫氧化鋁、碳酸鋅、三氧化二銻、二硫化鉬等;

 

(3)防紫外線性填料;炭黑、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鐵等;

 

(4)電磁波吸收性填料:木炭粉、石墨粉、鐵酸鹽等;

 

(5)光反射性填料:二氧化鈦、氧化鋅、氧化鐵、碳黑等;

 

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

 

(7)導電性填料:各種金屬粉、炭黑、部分金屬氧化物粉體

 

(8)導熱性填料:各種金屬粉體、纖維、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鈹等;

 

(9)磁性填料: 氧化鐵粉等各種磁粉;

 

(10)隔音填料:鋁粉、鐵粉、木粉、中空玻璃微珠、硫酸鋇、硫酸鈣等;

 

(11)耐磨性填料:碳纖維、石墨、二硫化鉬、氧化鉻、石英粉;

 

(12)抗沖改性填料:玻璃纖維及各種纖維、超細粉體;

 

(13)耐熱填料:稀土尾礦、礦棉、

 

(14)抗剪切改性填料:三氧化二鋁

 

(15)耐酸改性填料:硫酸鋇、硫酸鈣

 

 

6、填料對制品性能的影響規律

 

  • 比重隨填料的加入量增加而增大。

  • 表面硬度隨填料的加入量增加而增大。

  • 剛性隨填料的加入量增加而增大。

  • 抗彎強度隨填料的加入量增加而下降。

  • 斷裂伸長率隨填料的加入量增加而下降。

  • 表面光澤度隨填料的加入量增加而下降。

  • 沖擊強度隨填料的加入量增加一般為下降;

  • 如填料外型為針狀、纖維狀,則一般為增強。

  • 耐溫性隨填料的加入量增加而增大。

 

 

7、實際應用時要求填料的特性

 

  • 粒徑及粒徑分布。

  • 晶型結構。

  • 吸油性。

  • 分散性。

  • 粘度特性。

  • 剛性與硬度。

  • 電氣性能。

 

(1)制品化學穩定性高,耐熱性好,在加工溫度不分解,不影響塑料樹脂原有的物理機械性能。例添加后引起制品因彎曲、拉伸而產生的泛白現象要小。

 

(2)制品與其它加工助劑混合后不發生化學反應。

 

(3)制品在塑料樹脂中分散混合性好,不影響加工性能,對設備磨損小。

 

(4)制品吸油量和吸收塑料樹脂量小。

 

(5)制品不含促進樹脂加速分解的雜質。

 

(6)制品不溶于水、油脂、一切溶劑,不吸潮、不含結晶水(阻燃劑除外)、耐酸耐堿。

 

(7)制品填料粉體外觀色澤均勻、粒徑粗細一致。

 

(8)制品價廉并且來源豐富、穩定,不同批量填料之間的質量波動要小。

 

 

8、幾種常見的納米礦物填料

 

(1)納米蒙脫土(MMT)

 

蒙脫土是一種天然礦物質材料,可用于塑料的阻隔改性。蒙脫土具有親水疏油性能,與大多數樹脂的相容性都比較差,要與樹脂形成良好的復合材料,首先要對其進行疏水親油改性處理,以提高與樹脂的相容性。

 

利用蒙脫土的良好插層性能可以進行長鏈有機化合物的插層,大幅度提高與各類樹脂的相容性,制造多種納米塑料填充材料,同時改善復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度,這正是目前納米材料的研究重點。

 

目前,已成功開發出如PA6/蒙脫土、PET/蒙脫土、PMMA/蒙脫土、PI/蒙脫土、EP/蒙脫土、PS/蒙脫土等復合材料。

 

(2)納米凹凸棒粘土(AT或ATP)

 

凹凸棒粘土是一種水合鎂鋁硅酸鹽非金屬礦物,呈水晶鏈層狀結構,但與蒙脫土的層狀結構明顯不同,凹凸棒石為一種天然纖維狀晶體形態結構的含水富鎂的鋁硅酸鹽礦。

 

由于納米級的晶棒很容易聚集,因此凹凸棒石與聚合物的混合只能是微米級的混合,起到增量填充的作用。凹凸棒石表面大量的硅羥基與非極性聚合物相容性差,填充前要進行表面處理。目前凹凸棒石在塑料中應用主要集中在PET和PA成核劑和隔熱材料。

 

(3)納米伊利石

 

伊利石是一種含鉀鋁硅酸鹽云母族粘土礦物,又稱為“水白云母”。伊利石的成份比較復雜,其具體組成在一定范圍內變化,因而其應用受到一定限制。

 

伊利石粉作為片狀增強填充料兼有增量和改性雙重效果。以在PVC中填充為例,加入量在3份左右時,拉伸強度、沖擊強度都達到最大值,而彎曲強度、彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加。伊利石在增強增韌的同時,可改善塑料的尺寸穩定性、耐蠕變性、氣體阻隔性、絕緣性和防止翹曲性。

 

(4)納米海泡石

 

海泡石為含水的鎂硅酸鹽,具有鏈狀和層狀纖維的過渡結構,屬于2:1層鏈結構粘土。

 

海泡石作為針狀增強填充料兼有增量和改性雙重效果,這一點同伊利石相似。以在PVC中填充為例,加入量在3份左右時,拉伸強度、沖擊強度都達到最大值,彎曲強度下降,而彎曲模量和熱變形溫度在10份以前都緩慢增加,尤其是彎曲模量增加較快。

 

(5)納米蛋白石

 

蛋白石又稱為蛋白土,是一種含水非結晶或膠質的活性二氧化硅。蛋白石的外觀為致密的玻璃狀塊狀體,顏色有白色、灰色和淡藍色多孔狀,相對密度2.07,屬于比較輕的無機填充材料。

 

蛋白石在聚乙烯中填充具有明顯的剛韌改性作用,例如鈦酸酯偶聯劑處理的3000目蛋白石在HDPE中加入30%,拉伸強度基本持平,而沖擊強度提高160%。加入ABS中也可以明顯改善沖擊強度。

 

(6)納米碳酸鈣

 

納米碳酸鈣屬于輕質碳酸鈣的一種,是在生產輕質碳酸鈣碳化的過程中通過控制碳化工藝條件和添加結晶導向劑控制而得到的。不同形狀納米碳酸鈣的用途不同,針狀和鏈狀納米碳酸鈣可以實現補強目的,球形納米碳酸鈣可以實現增韌的目的,空芯球形納米碳酸鈣可以實現輕量化填充的目的,片狀納米碳酸鈣可以提高復合材料的阻隔性,還可以利用其高遮蓋力代替部分鈦白粉。

 

(7)納米二氧化硅

 

納米二氧化硅就是氣相二氧化硅,是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,由于其粒徑很小,因此比表面積大、表面吸附力強、表面能大、化學純度高、分散性能好以及在熱阻和電阻等方面均具有優異的性能,以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性,在眾多學科及領域內獨具特性,有著不可取代的作用。

 

在塑料中,白炭黑是一種補強作用僅次于炭黑的填料,常用于和塑料形成復合塑料,加入量為3%~5%,并能提高復合塑料的性能。尤其是用白炭黑填充硅膠,是典型的增強復合材料。在PP/二氧化硅復合體系中,沖擊強度可以達到3.7kJ/m2。用PP/二氧化硅復合材料進行微發泡,沖擊強度可以達45.7kJ/m2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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