(一)非金属矿粉体材料在塑料中应用情况及要求

2008-09-26   阅读次数：224   

 

1、我国塑料工业持续快速发展二十多年，现已成为世界上塑料制品大国

表1   2000~2007年塑料制品行业主要经济指标及增长情况

 

表2    2000~2007年塑料制品业产量及增长率  （万吨/%）

 

1.2 非金属矿粉体材料已成为塑料材料及制品不可缺少的重要组分

    原料紧缺年代，节约合成树脂；

    技术进步年代，改善性能、增加功能；

    市场竞争年代，降低成本、提高性价比；

    循环经济年代，减用石油资源、减轻环保压力。

1.3 非金属矿粉体材料在塑料中应用现状

    从数量总量上看：已经超过600万吨（10%）

    从品种上看：碳酸钙（重钙、轻钙、纳米钙）、滑石粉、高岭土、硅灰石、水镁石粉、云母粉及其它

    从比例上看：

   （1）以填充增量为主要目的，一般可用到几十到几百份（phr——以基材树脂为100份时，填充材料的质量份数）；

   （2）以改善性能和降低成本为目的，一般可用到十几份到几十份；

   （3）以增加功能（如阻燃、磁性、耐热等）为主要目的，按达到预期功能所要求的份数添加，然后再考虑保持适当力学性能的问题。

    从发展前景看：

   （1）普通粉体材料的规格、售价更适合下游用户；

   （2）期待有特殊功能的粉体材料投产上市，如对塑料薄膜透光度影响小的矿物填料，不影响无纺布喷丝的粉体材料等；

   （3）对已具有明确功能特性的粉体材料，主要任务是研究如何将其用好（如硅灰石粉）。

表5    塑料制品使用非矿粉体情况

 

2 塑料行业对非金属矿粉体材料的技术要求

2.1 总的原则

1）价格适当，在满足使用要求前提下，越便宜越好；

2）使用方便，尽可能减少干燥能耗、表面处理、粉尘污染等方面的问题；

3）负面影响小，如色泽、磨耗、老化等；

4）使用效果好，或者某一方面改性效果突出，或者综合效果良好。

2.2 技术要求

2.2.1常用粉体材料分类

2.2.2作为填料使用的粉体材料特性表征

1）几何特征

    通常粉体材料以颗粒形式作为填料使用。颗粒的形状并不十分规则，但对塑料的性能来说，填料颗粒的几何形状对填充体系的物理机械性能有着重要的影响，因此粉体材料的颗粒形状是使用时首先需要预以关注的。

    对于片状颗粒，往往采用径厚比的概念，即片状颗粒的平面尺寸（纵向或横向）与厚度之比；对于纤维状颗粒，往往采用长径比的概念，即纤维状颗粒的长度与直径之比。 

2）粒径

    填充改性技术重要一点是将粉体颗粒均匀地、尽可能一个一个地分散到塑料基体中，如同大海中的大大小小的岛屿，称之为海岛结构。一般说来填料颗 粒的粒径越小，假如能够分散均匀，则填充体系的力学性能越好，但粒径越小，加工成本越高，实现其均匀分散越困难。因此知道粉体颗粒的粒径大小及其分布情况并根据实际需要加以选择是非常重要的。

    目前对粉体颗粒粒径大小及其分布的表述有很多种，在没有统一的命名方法和规定之前，塑料行业也经常使用的是目数的方式，即用粉体材料的颗粒能够通过多少目的筛子的目数来表示其粒径大小。实际上这种方法测到的目数是指这种规格的粉体颗粒中尺寸最大的颗粒在三维方向上最大的尺寸。

3）比表面积

    填料颗粒表面粗糙程度不同，即同样体积的颗粒，其表面积不仅与颗粒的几何形状有关（球形表面积最小），也与其表面的粗糙程度有关。比表面积即单位质量填料的表面积，它的大小对填料与树脂之间的亲合性、填料表面活化处理的难易与成本都有直接关系。通常比表面积大小可通过氮气等温吸附方法进行测定。

4）表面自由能

    填料颗粒表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易，当比表面积一定时，表面自由能大，颗粒相互之间越容易凝聚，越不易分散。在填料表面处理时，降低其表面自由能是主要目标之一。

5）密度

    填料的密度与填料颗粒堆砌状态有关。由于轻质碳酸钙的颗粒呈现纺锤形，而重质碳酸钙的颗粒呈破碎的石块形，在堆砌时，前者颗粒之间存在空隙，而后者容易堆砌的密实，因此同样质量的轻质碳酸钙和重质碳酸钙堆砌出的体积是不同的，前者的体积明显大于后者，由此轻质碳酸钙的表观密度小于重质碳酸钙，但这并不意味轻钙“轻”，重钙“重”，因为就其单个颗粒来说它们之间的差别非常小，前者2.4~2.7g/cm3，后者为2.7~2.9 g/cm3。在塑料填充改性领域真正影响填充体系整体密度的是填料单个颗粒的密度以及它们在塑料基体中的存在形式——是否凝聚在一起，以及和基体塑料分子之间有无空隙等。

6）吸油值

    单位质量的填料能够吸收增塑剂二辛酯（DOP）的量称之为吸油值。在使用增塑剂的塑料制品中，如果填料的吸油值高就会增大增塑剂的消耗。填料吸油值的大小与填料粒径大小及分布以及颗粒表面的构造有关，轻质碳酸钙的吸油值往往是重质碳酸钙的几倍，因此在达到对树脂增塑同样效果的情况下，使用重钙可以减少增塑剂的用量。

7）硬度

    填料颗粒本身的硬度具有双重性，一方面硬度高的填料可以使填充塑料材料的耐磨性提高，另一方面由于加入了填料，尤其是硬度高的填料，填充体系在加工过程中容易对物料所接触的加工设备与模具的表面造成严重磨损，而这种磨损严重时，带来的经济损失远远超过使用填料带来的利益，就会影响这种粉体材料在塑料中的应用。

8）白度

    填料的白度高低对所填充塑料材料及制品的色泽乃至外观有着致关重要的影响。通常白度越高，对填充塑料着色的影响越小，仅仅影响色彩的鲜艳程度。由于目前还没有完全透明的填料，因此填充塑料往往是不透明的，如果填料的颜色白度不高或呈其它色泽，则只能做黑色或深色的塑料制品。

    测量粉体填料的白度，可将填料粉末压制成圆片状试样，将特定波长的光照射在试样平滑表面上，由试样表面对此波长光线的反射率与标准白度的对比样反射率的比值作为粉体填料的白度值。

9）折射率

    塑料材料本身对光的折射率有很大差别，多数通用塑料的折射率在1.50~1.60。当粉体填料的折射率与塑料基体的折射率相同或相近时，它们加入到基体塑料中后对光的遮盖性影响较小，反之填充塑料对光的遮盖作用就强。例如同样为白色的碳酸钙粉末和钛白粉，加入少量钛白粉的聚乙烯薄膜变得完全不透明，而加入30%重质碳酸钙粉末的聚乙烯薄膜仍然是透明的，就是因为钛白粉的折射率远远高于聚乙烯塑料。

    对多数矿物来说其折射率还不只一个。具有立方点阵结构的晶体和各向同性的无定形物质才具有唯一的折射率，如食盐是典型的等轴（立方）晶体，而玻璃是典型的各向同性无定形非结晶物质。方解石和石英等晶体有两个相等的短轴并垂直于第三轴（长轴）。光线沿长轴传播时，其传播速度是不变化的，而当光线沿其它方向传播时，被分解为两种不同速度的光线，产生两个折射率。方解石的两个折射率分别为1.658和1.486，石英的两个折射率分别为1.553和1.544。

10）光线的吸收和反射

    紫外线可使聚合物的大分了发生降解。紫外线的波长范围为0.01~0.4mm，炭黑和石墨作为填料使用，由于它们可吸收这个波长范围的光波，故可以保护所填充的聚合物避免发生紫外线照射引发的降解。有的物质不仅可以吸收紫外线，还可通过重新发光把波长较短的紫外光转化为波长较长的可见光，如果将其作为填料使用不仅可避免紫外线的破坏作用，还可增加可见光的辐射的能量。

    红外线