下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
3.2 填料
为了改善塑料的成型性能，提高制件的使用性能，赋予塑料新的特性和降低成本（含量可达近40%）而加入到聚合物中的呈惰性的粉末状物质，就是填料。这是塑料中的重要但并不一定必要的组分之一。填料在填充过程中一般显示两种功能：一是增加容量、降低成本，此时又称填量剂；二是显示一些改性作用，以改善塑料的加工性能和物理性能。填料按化学结构可分为无机类和有机类；按照来源又可分为矿物性、植物性、合成填料等；按照外观形状可分为粉状、粒状、薄片状、实心微球、中空微球；按照功能可分为增量性、增强性、阻燃性、导电性、着色性、耐热性、耐候性、抗粘连性多种。
填料的大小和表面形状对塑料性能有一定的影响，球状、立方体状的通常可提高成型加工性能，但机械强度差，而鳞片状的则相反，粒子越细，对聚合物的刚性、冲击性、抗张强度和外观等改进作用越大。
加入填料可能导致聚合物某些性能下降，如粉状填料常使塑料的抗张强度、撕裂强度和耐低温性下降。大量加入时使成型加工性能和表面光泽下降，故应当合理地选用品种、规格和加入量。
在填料选择时，要求填料具有以下几点性能：
①在树脂中分散性好、填充量大；
②不降低树脂的加工性能及制品的物理性能，最好具有较好的改性效果；
③本身应具备耐水性、耐热性、耐化学腐蚀性；
④不影响其它助剂的分散性和性能；
⑤对增塑剂的吸收量小，无曲折白化现象。
关于填料的作用机理，一般解释为：填充粒子的活性表面与一些聚合物大分子链结合，形成交联结构。当其中的一个分子链受到应力时，可通过这些交联点将应力分散到其它分子上。如果其中某一链断裂，其它链同样可起到加固作用，而不会迅速影响到整个制品。
是否能取得较好的填充效果，是生产塑料填充制品的关键。有时由于填充不当，会造成塑料制品在生产工艺、制品色彩、物理性能、手感等多方面的损害，对生产设备也极为不利。填充的好坏，最主要取决于填料的表面处理。
塑料材料与填料的结合需要一定的桥梁联系。这种联系往往通过对填料进行表面处理来建立。常用的方法有机械化学反应、偶联剂处理等方法。机械化学反应就是把填料进行机械粉碎、机械研磨，改善填料表面的物理结构以及填料的化学结构，导致表面电荷局部化或产生自由基。对填料进行偶联剂处理，就是利用偶联剂分子的一端具有与有机高分子作用的基团，另一端具有与无机填料低分子作用的基团性质，以使填料表面形成一层分子膜，提高填料与树脂的亲和性，从而使树脂和填料能够很好地结合起来。当然还可用其它材料对填料表面进行改性，如高级脂肪酸、高级脂肪酸的酯类、酰胺类、金属盐类、高级醇类、极性聚烯烃、烯酸类改性剂。
改性常用的方法有喷雾法和溶解法。喷雾法是在一定温度下，通常为50～200℃，将定量的活性剂以雾状喷洒到被高速搅拌填料表面的处理方法。溶解法是将定量的表面处理剂有机酸溶于溶剂中，与填料在捏合机中搅拌，然后烘干溶剂的表面处理方法。在制备时，要控制好温度和时间以防止不饱和酸的聚合，同时各种辅料的投入，应当依其作用原理，按顺序加入，以免对其性能的发挥会产生不良的影响。
有机填料是目前塑料制品中的主要填料，有天然材料和合成材料。天然材料包括：木材、木粉、棉纤维及植物纤维等。合成材料常指各种合成纤维，包括：人造织物、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、聚四氟乙烯纤维等。
有机质微球的材料有天然有机物如纤维素衍生物、天然乳胶，也有合成树脂，如酚醛树脂、环氧树脂、聚苯乙烯等，它们具有更低的相对密度，抗冲击性更好，但化学性质不是很可靠。
填充剂的种类品种很多，但以无机物的应用最为广泛。常见的无机填料有金属粉（铝、铜、铁、铅等）、金属氧化物、二氧化硅系填料（白炭黑、石英、硅藻土等）、硅酸盐类（云母、黏土、石棉、滑石粉等）、硫酸盐类（重晶石粉、石膏等）、亚硫酸盐钙、碳质等。以下是几种常用的无机填料性能介绍，它们分别属于上述各个类别。
（1）碳酸钙（CaCO 3 ） 它是经机械粉碎法或化学沉淀法生产而得的，用机械粉碎法制得的是重钙，用化学沉淀法叫轻钙。CaCO 3 是塑料生产中使用最广泛的填充剂之一，价廉、来源广泛、相对密度较小，除具有增量作用外，还有改善加工性和制品功能的功效。这种材料质地较软，对设备磨损较小，一般轻质CaCO 3 比重质CaCO 3 细、纯度高、杂质少，具有较好的抗划伤性和抗弯白化性，轻质CaCO 3 的最大特点是其补强作用，可提高制品的冲击韧度。
为了改善碳酸钙在塑料中的分散性、补强性和其它性能，可用上面提到的偶联剂与其它改性剂对之进行处理。一般在硬质PVC中使用5～10份（质量份，下同）超细CaCO 3 ，可以显著改善冲击韧度，经处理得所谓活性超细碳酸钙，补强作用更好，可作为抗冲击剂的廉价代用品，用量可达20～30份；轻质CaCO 3 在一些软质PVC中有热稳定作用，可减少热稳定剂的用量，或使用比较廉价的稳定剂来代替价高的稳定剂。
碳酸钙主要用于聚氯乙烯，既可用于板材、管材等硬质品，也可用于电线外皮、人造革等的软质品，可作为PVC糊的黏度调节剂，提高色调稳定性。但是CaCO 3 吸油值较高，在软质PVC中的分散均匀性差，配合量多时会降低制品的表面光滑性。
（2）滑石粉（3MgO·4SiO 2 ·H 2 O） 它的主要成分为水合硅酸镁3MgO·4SiO 2 ·H 2 O，是白色鳞片状结晶，并含有纤维状物。化学性质稳定，是无机填料中最软的，有滑腻感。由于它不是很硬，常用作热固性塑料腻子的填充料，以利打磨；用于热塑性塑料，可提高制品的刚性，改善尺寸稳定性，防止高温蠕变，同时由于具有润滑性，可减少对成型设备的磨损，但用量过多不利于焊接。多用于耐酸、耐碱、耐热及电绝缘制品中，适用于多种树脂，因其折射率与PVC相近，故可用于半透明制品。含纤维状成分多的滑石粉，类似于石棉，有一定的增强效果；经处理的片状结构的超细滑石粉可改善制品的弯曲模量。
（3）白炭黑（SiO 2 ·nH 2 O） 白炭黑是水合二氧化硅，它主要用来改善加工性能和其它一些物理性能。用于聚乙烯薄膜中，可防止其粘连。与硬脂酰胺等抗粘连剂并用，则效果更好。添加于聚丙烯或聚乙烯薄膜中的少量白炭黑，起着成核剂的作用，可以增加晶核数量，缩小球晶结构，提高透明性。向PVC中配合适量的白炭黑可以提高其抗张强度核硬度，改善耐热性，防止增塑剂迁移。白炭黑还可作为液状热固性树脂的增稠剂和触变剂。
（4）实心玻璃微珠 它是较新的一种填料，有很多优点，如：①其形状光滑圆润，没有应力高度集中现象，可有效防止应力开裂；②其表面积很小，对树脂的黏度和流动性影响极小，填充量达400%时的黏度与25%填充量时的变化不大；③其对设备的磨损量很小；④能有效地保证制品的尺寸稳定性；⑤热稳定性和化学稳定性高。玻璃微珠适用于各种热塑料、热固性塑料制品的生产。
无机质微球的材料主要有玻璃、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、硼酸盐等许多天然矿物质材料，而其中以玻璃中空微球应用最广，它具有一系列的优良性能，是一类比较理想的轻质填充材料，因其不耐剪切，目前这种材料比较多地用于热固性树脂中。