无机填料对塑料产品性能的影响

发布于2020-06-15 14:09:51

来自:安米微纳团队

在作为现代高分子材料的塑料产品中,非金属无机矿物粉体作为填充材料占有很重要的地位。在高聚物基料中添加无机粉体填料,不仅可以降低高分子树脂材料的成本,更重要的是能提高材料的各种性能及稳定性,并赋予材料某些特殊的物理化学性能,如抗压、抗冲击、耐腐蚀、阻燃、绝缘性等等。而无机矿物填料的性质对塑料产品的影响是多方面的,包括物理化学组成及性质、粒径大小及分布、颗粒形状及表面性质、以及密度、硬度、白度等,它们对塑料的性能和工艺参数要求都有影响。

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几何形状特征

不同几何形状的填料微粒对其塑料制品的强度影响一般是纤维状>片状>柱状>立方体>圆球形。片状填料有助于提高制品的机械强度,但不利于成型加工。反之,球状填料可以改善制品的成型加工性能,但却可能使其机械强度下降。 

不同无机填料的微观几何形状: 

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粒径及表面特征

一般来说,无机非金属矿物填料的颗粒粒径越小,那么在分散均匀的情况下塑料的力学性能就越好,但在减小填料颗粒粒径的同时也使加工工艺变得复杂,成本也随之提高。通过研究,当超细爽滑透明粉ST600PVC压抑膜中添加8%~12%,其加工性能良好,填料在树脂中分散流动性好,分布均匀,制得的PVC压延膜力学性能不仅非常接近纯树脂膜,而且解决了纯树脂膜粘度高不易开口的问题,并且有效增强了PVC压延膜的固墨效果,让印刷油墨清晰不晕墨,可谓一举多得。

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另外,填料颗粒的表面粗糙程度和自由能的不同也对塑料制造工艺有影响,在实际生产中要求降低填料颗粒表面自由能来避免颗粒之间凝聚,从而避免产品应力分布不均。

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比表面积

由于无机填料与各种树脂基质的界面不同,相容性差,在基料中难以均匀分散,直接填充往往容易造成材料的某些力学性能下降,所以必须对无机粉体填料进行表面改性处理。比表面积越大,对填料与树脂之间的亲合性越好,但对无机填料表面改性处理越难,成本越高。而对相同体积的填料颗粒来说,其表面越粗糙,比表面积就越大。

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密 度

不同形状的颗粒粒径大小及分布不同,在质量相同时,其所堆砌的体积不相同,所以真实密度相同的颗粒,堆积密度却不一定相同。这一方面对于微观几何形状不规则的碳酸钙粉体尤为明显。

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纯 度

纯度是指无机粉体填料的有效成分含量。毫无疑问,有效成分纯度越高,其增强的效果越好。有效成分含量越低,说明所含的杂质成分也就越多,而这些杂质成分就包括一些碳酸盐、铁、重金属等等。纯度低,杂质含量高的无机填料,往往会导致塑料产品的抗老化性能和热稳定性能变差。

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硬 度

硬度高可以提高制品的耐磨抗刮性,但同时也会磨损加工设备,人们不希望使用无机填料带来的效益被加工设备的磨损抵消。对于某种硬度的无机填料,加工设备的金属表面的磨损强度随填料粒径的增加而上升,到一定粒径后其磨损强度趋于稳定。而对于玻璃粉这种硬度较高的无机填料如何有效降低加工设备的磨损呢?这里告诉大家一个容易被忽略的方法,操作很简单,在螺杆造粒机分散的时候,不宜过高速度及时间过长分散。打粉速度≤300转,保持3分钟,前区温度比普通高25℃,后区温度比普通低8℃,螺杆速度比传统快20%即可有效降低加工设备的磨损,而且也不会影响制品的颜色外观。

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白 度

对同一种无机填料来说,粒度越细,白度越高。而所含水分越高,白度会越低。虽然白度的高低对产品的物理性能没有太大影响,但对浅色产品来说,保持颜色的纯正也十分重要。为了对所填充材料基体的色泽不带来明显变化或者对基体的着色不带来不利影响,多数塑料制品生产要求白度越高越好。

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吸油值

填料吸油值的大小影响填充体系增塑助剂的用量和材料的可加工性。吸油值低的填料,填充体系的可加工性好,容易与树脂混合,可以减少增塑助剂的用量。对于相同细度的同类无机矿物填料,表面有机改性可以降低无机矿物填料的吸油值。

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光学性能

有些制品可以利用填料的吸光性提高温度,例如农用塑料大棚主要是聚乙烯(PE)农用薄膜,当使用超细硅微粉填充PE农用薄膜能改善制品的物理化学性能和光学性能,利用石英具有阻隔红外线的功能,减缓塑料大棚的热散失,从而提高其保温性能。

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导电性

除石墨外,大多数无机矿物填料都是电绝缘体。在用于绝缘材料方面,随着微电子工业的迅速发展,我国电子塑封行业也得到迅速发展,在用于绝缘材料方面的环氧模塑料中用硅微粉作为填料,具有优异电性能、耐高压、耐电弧性能优、表面电阻率高、耐候性好的特点,主要作为高压绝缘子、高压开关的首选材料。因此,硅微粉既是目前理想的环氧塑封料的填充材料,也是半导体集成电路理想的基板材料。

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化学成分

无机矿物填料的化学活性、表面性质(效应)以及热性能、光性能、电性能、磁性能等在很大程度上取决于化学组成。借鉴下表中不同种类无机填料对产品的不同影响,按需要的产品特性而选择不同的填料。

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热化学效应

高分子聚合物容易燃烧,但大多数无机矿物填料由于自身的不燃性,在加入到聚合物基体中后减少了可燃物质,延缓基体的燃烧。如氢氧化镁和氢氧化铝分解温度较低,而且分解后生成水蒸气和金属氧化物,具有优良的阻燃性能,不产生毒烟,因此是高聚物基复合材料环境友好型阻燃填料。

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总之,人类社会进入二十一世纪以来,围绕现代塑料加工改性行业,已经形成了一个综合性以塑料树脂为主,各种添加剂、加工助剂为辅,各种塑料成型加工机械,化工合成、钢铁生产加工、农业林业、粉体加工等多种加工工业的产业链。各种各样的无机粉体被添加在塑料中,而这些无机粉体在塑料产品中的作用,概括起来就是增量、补强和赋予新的功能。但由于直接使用无机非金属矿物填料和有机聚合物相溶性较差,所以,对无机非金属矿物填料进行改性,提高其与有机聚合物的相溶性,避免了直接添加造成的应力分散不均。

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