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1、填料及其表面处理技术,PVC具有什么特性？,本章 学习目的：1、理解和掌握填料、填充剂和增强材料的概念;2、掌握填充剂与增强材料主要品种的性能;3、熟悉偶联剂和填料表面处理的相关知识。,第一节 概述 1、填料填料：是为了降低成本或改善性能等在塑中 所加入的惰性物质。,2、填充剂填充剂：是一类以增加塑料体积、降低制品成 本为主要目的填料，常称为增量剂。降低了塑料制品的生产成本；赋予或提高制品某些特定的性能，如尺寸稳定性、刚性、遮光性和电气绝缘性等。填充剂经表面处理后不但容易与树脂混合提高了加工性能，而且具有某种程度的改性作用。,3、增强材料增强材料：是指加入到塑料中能使塑料制品 的力学性能显著提
2、高的填料，也 称为增强剂。一般为纤维状物质或其织物，在树脂中配以适量的增强材料能使塑料的力学强度，如冲击强度、弹性模量、刚性等成倍提高；同时可使制品的尺寸稳定性提高，收缩率降低，热变形减少。,从未来的发展趋势看，随着增强材料的廉价化和填充剂的增强化，二者之间的界限将会变得越来越模糊。,第二节 填充剂一、填充剂的性质对树脂性能的影响1、颗粒的形状 薄片状、纤维状填充剂使加工性能变差，但力学性能优良；无定形粉状、球状则加工性能优良，力学性能比薄片状和纤维状差。,2、颗粒的大小 填充剂颗粒一般以0.110m粒径为好。细小的填充剂有利于制品的力学性能、尺寸稳定性以及制品的表面光泽和手感。粒径太小分散困
3、难，若加工设备分散能力不够则会影响产品质量。实际生产中选用什么粒径的填充剂，应据塑料的种类、加工设备分散能力不同而定，不能一概而论。,：,3、颗粒的表面积 填料的许多效能与其表面积有关。通常填充剂的表面积增大有利于与表面活性剂、分散剂、表面改性剂以及极性聚合物的吸附或与填料表面发生化学反应。因而颗粒有越来越越来越小的发展趋势。,4、填充剂对设备磨损 填充剂会加速对设备磨损，同时使熔体粘度升高，所以这时要在配方中适当地增加稳定剂和润滑剂的用量。,二、常用填充剂 1.无机填充剂 大多数情况下，无机填充剂是没有增强作用的矿物性填料。这些填充剂的加入，往往会在一定程度上使复合材料的力学强度降低，其主要
4、作用是降低成本，是填充剂的主体。这类填充剂品种繁多，用途广泛，也有少数此类填充剂在适当用量范围内具有一定的增强作用。,（1）碳酸钙（CaCO3）是目前塑料工业中应用最为广泛的无机粉状填充剂，一般可分为三类：重质碳酸钙、轻质碳酸钙和活性碳酸钙（也称为胶质碳酸钙、改性碳酸钙、表面处理碳酸钙、白艳华，简称活钙）重质碳酸钙：由石灰石（主要成分是方解石）经选矿、粉碎或湿法研磨、分级与表面处理而成。粒子形状不规则，相对密度为2.71，折光率为1.65，吸油量为5%25%。,轻质碳酸钙：是用化学方法制成，多呈纺锤形棒状或针状，粒径范围1.01.6m，相对密度2.65，折光率为1.65，吸油量为20%65%。
5、石灰石煅烧石灰熟石灰消化石灰乳碳化固液分离干燥包装,：,活性碳酸钙：是一种白色细腻状软质粉末，颗粒表面吸附一层脂肪酸皂，使其具有胶体活化性能，其生产工艺路线与其它碳酸钙基本相同，只是增加了一道表面处理工序。这种碳酸钙用作塑料填料时可使制品具有一定的强度与光滑的外观。,（2）炭黑 炭黑是在控制条件下不完全燃烧烃类化合物而生成的物质，其品种较多，一般按制法来分，有槽法炭黑、炉法炭黑和热裂法炭黑等。炭黑具有紫外线屏蔽作用，耐老化性能越好，可降低制品的表面电阻率。,作为填料用炭黑，可以使用较大粒径的炉法炭黑，一般为2575m；作为着色剂作用，一般可选用色素炭黑。炭黑在聚合物（尤其是橡胶）中兼有增强作用
6、，因此在一定意义上也可以说炭黑是一种增强材料。,（3）白炭黑（SiO2nH2O）白炭黑即二氧化硅、微粒硅胶或胶体二氧化硅等。这也是塑料工业中广泛使用的增强性填料，其增强效果仅次于炭黑，并且成型加工性良好，尤其适用于白色或浅色制品。用白炭黑制成涂料，涂于人造革表面，可产生消光作用；此外，白炭黑在UP、PVC增塑糊、EP等聚合物溶液中有增黏作用。,（4）陶土（AI2O3SiO2nH2O）又名高岭土、白土、粘土、瓷土，主要化学组成是水合硅酸铝，是由岩石中的火成岩、水成岩等母岩经自然风化分解而成。用于塑料的陶土多数是在450600经煅烧除去水分的品种，又称煅烧陶土。主要用于电线电缆。,（5）滑石粉（3
7、MgO4SiO2H2O）主要成分为水合硅酸镁，由天然滑石粉碎精选而得。化学性质不活泼，粉体极软，有滑腻感。作为塑料用填料可提高制品的刚性，改善尺寸稳定性，防止高温蠕变。与其它填充剂相比具有润滑性，可减少对成型设备和模具的磨损。,（6）云母粉 是由天然云母粉碎而得，其组成非常复杂，是铝、钾、钠、镁、铁等金属的硅酸盐化合物。塑料中常用的云母粉有白云母和金云母两种，尤以白云母应用最多。作为塑料填充剂，可赋予制品优良的电绝缘性、抗冲击性、耐热性和尺寸稳定性，并可提高其耐湿性和抗腐蚀性。,2、有机填充剂 有机填充剂是指一些天然或合成的有机物,一般说来，有机填充剂大多难以承受较高的成型加工温度，在成型加工
8、过程中，首先是水分的蒸发，然后是油、蜡及其它成分的变化。所以，有机填充剂的作用仅限于成型加工温度比较低的塑料，如PE、PP、PVC、PS等塑料。,3、纳米填料 所谓纳米填料是指粒子尺寸在1100nm之间的粉状或层状填料，常用品种有Al2O3、Fe2O3、ZnO、TiO2、ZrO、SiO2、蒙脱土（即高岭土、粘土）等。,：,用纳米填料填充的树脂，通常称为“纳米填料填充塑料”，可简称为“纳米塑料”。纳米塑料显示出了一系列优异性能：强度高，耐热性好，密度低，并赋予制品良好的透明性和较高的光泽度。某些纳米填料还赋予塑料阻燃、自熄性及抗菌性。对于一些高黏度塑料纳米填料还具有良好的加工改性功能，如用纳米填
9、料填充的纳米UHMWPE变得容易加工，为用PE代替部分工程塑料创造了条件。,第三节 增强材料 增强材料主要是指纤维状填料，常用的是玻璃纤维，它是如何起到增强作用的？一、增强材料的作用机理增强材料在塑料中的最重要作用就是提高力学强度，即增强。一般认为增强可通过下面四种作用来实施。（1）桥联作用 能通过分子间力或化学键力与聚合物材料相结合，将其自身的特殊性能与聚合物材料的基本性能融为一体。,（2）传能作用 由于增强材料与聚合物材料之间的桥联结合，若聚合物材料中某一分子链受到应力时，应力可通过这些桥联点向外传递扩散，从而避免材料受到破坏。（3）补强作用 在较大的应力作用下，如果发生了某一分子链的断裂
10、，与增强材料紧密结合的其它链可起加固作用而不致迅速危及全体。,（4）增黏作用 聚合物中加入增强材料后，使体系的黏度增大，从而增大了内摩擦。当材料受到外力作用时，这种内摩擦吸收更多的能量，从而增大抗撕裂、耐磨损性能。二、增强材料的性质1.纤维长度及形式（1）绳（2）布（3）带（4）无捻粗纱（5）短切纤维,2.纤维的表面状态 为保证纤维与树脂的有效结合，需对纤维进行偶联处理。处理的方法有洗涤法、热处理法和化学处理法，以化学处理法最为常用。3.纤维在基体树脂中的分布 当增强材料加入到热塑性塑料和热固性塑料中后，成型时会象大分子一样沿着熔体流动的方向产生定向作用。纤维在基体树脂中的分布应根据制品的种类
11、和用途加以控制。,三、常用增强材料1.无机纤维（1）玻璃纤维 玻璃纤维（GF）简称玻纤，是由熔融的玻璃经快速拉伸后经冷却所形成的纤维状物质。由于玻璃纤维具有密度小、强度高、耐热性好、化学稳定性及电气绝缘性优良等特点，已成为最基本的、应用最广泛的增强材料。,按化学成分可把玻璃纤维可分为以下几种：无碱玻璃纤维：含碱量低于0.5%或0.7%，电绝缘性、强度和化学稳定性优良，是玻璃钢最重要的增强材料。低碱玻璃纤维：含碱量小于2%，电性能、强度和化学稳定性略逊于无碱玻璃纤维。中碱玻璃纤维：含碱量在12%左右，因其含碱量高，电绝缘性能差，但化学稳定性和强度尚好，可作为对电性能和强度要求不高的玻璃钢增强材料
12、。,为了适应不同性能和不同用途玻璃钢制品的要求，玻璃纤维增强材料的形式多种多样，广泛使用的有无捻粗纱及其织物、玻璃布、连续玻纤纱、短切纤维、增强毡片等。（2）碳纤维 碳纤维（CF）是由碳元素构成的一类纤维材料，其制造方法最常用的是有机纤维高温碳化法。,在塑料工业中，碳纤维可作为热塑性树脂和热固性树脂的增强材料，如用于EP、PF、UP、PA、PC、ABS、PS、PE、PP等。用量一般为10%40%。碳纤维增强塑料的主要优点是质轻、强度及刚性高、耐疲劳、耐蠕变、耐摩擦、热膨胀性小、尺寸精度和稳定性高、耐腐蚀性及耐热性好，并具有抗静电和导电特性。但也存在价格高、冲击强度不及玻璃纤维增强塑料及具有电腐
13、蚀等缺点。,第四节 填料的表面处理一、偶联剂与表面处理剂1.偶联剂 偶联剂是一类在填充和增强塑料中能提高树脂和填料界面结合力的化学物质。它们分子中具有两性结构，一部分基团可与无机物表面的化学基团反应，形成牢固的化学键合；另一部分基团则具有亲有机物的性质，可与聚合物分子反应或进行物理缠绕，从而把两种性质大不相同的材料牢固地结合起来。,（1）硅烷偶联剂 硅烷偶联剂是目前品种最多、用量最大的偶联剂，主要用于处理玻璃纤维。其通式为RSiZ3。式中R为有机基团，例如乙烯基、环氧基、甲基丙烯酸酯基、硫醇基等；Z是能够水解的烷氧基，例如甲氧基、乙氧基及氯等。,：,（2）钛酸酯偶联剂 钛酸酯偶联剂具有独特的结
14、构，对于热塑性塑料与干燥填料具有良好的偶联效果。尤其对聚烯烃等热塑性塑料具有较好效果。,根据分子结构与填料表面的偶联机理不同，此类偶联剂有多种类型。单烷氧基型：例如异丙基三异硬脂酰基钛酸酯（TTS），其偶联机理为：,单烷氧基焦磷酸酯基型：这种偶联剂适用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。如（TTOPP-38S）。螯合型：这种偶联剂适用于高湿填料和含水聚合物体系。如湿法二氧化硅、陶土、滑石粉、硅酸铝、水处理玻璃纤维、炭黑等。,（3）铝酸酯偶联剂 铝酸酯偶联剂是我国独自开发的偶联剂新品种，结构类似于钛酸酯偶联剂。铝酸酯偶联剂是优良的填料表面处理剂，经处理后的轻质碳酸钙，其吸油量和吸水性降低，
15、在塑料中的分散性大提高。目前，铝酸酯偶联剂主要用于碳酸钙的表面处理，制得的活性碳酸钙已广泛用于PVC、PE、PP等塑料制品中。,2.表面处理剂 表面处理剂是为了提高粘接能力，改善成型加工性能而用作处理塑料、填料、颜料或粘接载体等表面的物质。主要是脂肪酸及其盐类、磺酸盐及其酯类、有机低聚物、有机胺及硅油类、不饱和脂肪酸等等。从本质和作用上看，表面处理剂和偶联剂并无太大区别，一些填料表面处理剂也起到了类似偶联剂的作用，但经偶联剂表面处理过的填料，具有更高的活性。,（1）高级脂肪酸及其盐 作用：可改善无机填料与聚合物基体的亲合性，提高其在聚合物基体中的分散度。具有润滑作用还可使复合体系的内摩擦减小，
16、改善复合体系的流动性能。代表品种有：HSt、NaSt、CaSt、ZnSt，AlSt等。,（2）有机低聚物 代表品种是聚烯烃低聚物如无规PP和PE蜡。PE蜡即低相对分子质量PE，平均相对分子质量为15005000，白色粉末，经部分氧化后即得氧化PE蜡，其分子链上带有一定量的羧基和羟基。聚烯烃低聚物有较高的粘附性能，可以和无机填料较好地浸润、粘附、包覆。常用于聚烯烃复合材料中无机填料的表面改性。,二、填料表面处理技术 表面处理和偶联处理工艺分干、湿两种。干法是将无机填料充分脱水后在一定温度下与雾化的表面处理剂或偶联剂等反应制成活性填料；湿法也称为溶液法，是将表面处理剂与偶联剂与水或低沸点溶剂配制成一定浓度的溶液，然后在一定温度下与无机填料在搅拌反应机中反应，从而实现无机填料的表面改性。,
