傳統(tǒng)的觀念一直認(rèn)為填料的唯一作用為降低復(fù)合材料成本,但實(shí)際上填料還具有很多改性功能,尤其是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,如之前介紹的無(wú)機(jī)粉體的細(xì)化技術(shù)、無(wú)機(jī)粉體的表面處理技術(shù)和表面包覆技術(shù)日趨成熟,填料能達(dá)到的改性性能越來(lái)越多。
塑料的填充改性是指在樹(shù)脂中加入低成本的填料從而降低聚合物制品成本的一類(lèi)復(fù)合技術(shù)。從塑料填充的定義中就可以看出,降低成本是填充改性的第一目的。其實(shí)塑料填充改性還可以改善復(fù)合材料的某些性能：在熱塑性塑料中,填充可以改善復(fù)合制品的耐熱性、剛性、硬度、尺寸穩(wěn)定性、耐蠕變性、耐磨性、阻燃性、消煙性及可降解性,降低成型收縮率以提高制品精度;在熱固性塑料中,除前述的性能改善外,對(duì)某些樹(shù)脂是加工中必不可少的補(bǔ)強(qiáng)材料,如不飽和樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂及氨基樹(shù)脂等都需要進(jìn)行填充補(bǔ)強(qiáng)。
傳統(tǒng)塑料填充改性大缺點(diǎn)為在降低制品成本的同時(shí),導(dǎo)致制品某些性能的下降甚至是大幅度下降和密度大幅度提高,其中明顯的下降性能有沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、透明性及制品表面光澤度等。
新型塑料填充改性大的優(yōu)點(diǎn)為既可以降低成本又可以改善性能。這是因?yàn)殡S著填料品種的不斷開(kāi)發(fā)和粒度的不斷細(xì)化,隨著聚合物填充包覆技術(shù)的不斷發(fā)展,聚合物的填充完全可以實(shí)現(xiàn)改性功能。
對(duì)塑料填充影響大的技術(shù)有如下兩項(xiàng):
一是超細(xì)填料和納米填料的開(kāi)發(fā):眾所周知,常規(guī)粒度填料的加入會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的大幅度下降，而超細(xì)填料和納米填料的加入不但復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度不會(huì)下降,反而會(huì)有不同程度的升高,這就是剛性增韌和增強(qiáng)技術(shù)。
二是填料表面的多功能復(fù)合處理技術(shù):填料表面的處理技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快,其發(fā)展經(jīng)歷了從硬脂酸→單一偶聯(lián)劑→多功能偶聯(lián)劑→大分子偶聯(lián)劑→相容劑→復(fù)合偶聯(lián)劑的歷程,使填料與樹(shù)脂的結(jié)合力越來(lái)越大,對(duì)制品性能的提高幅度也越來(lái)越大。同時(shí),近年來(lái)降低聚合物填充制品密度的技術(shù)不斷涌現(xiàn),并逐步開(kāi)始進(jìn)人市場(chǎng)。相信不久的將來(lái)聚合物填充技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)改善性能、降低成本和保持低密度三大功能于一體,這樣填充材料類(lèi)就可以真正成為名副其實(shí)的改性材料了。
填料的共同改性性能
①提高復(fù)合材料的剛性:具體體現(xiàn)在彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、硬度等性能指標(biāo)上。填料中二氧化硅的含量越高,剛性改性效果就越明顯。各類(lèi)填料剛性改性大小依次為球形二氧化硅(提高120%)>云母(提高100%)>硅灰石(提高80%) >硫酸鋇(提高60%) >滑石粉(提高50%)>重質(zhì)碳酸鈣(提高30%)>輕質(zhì)碳酸鈣(僅提高20%)。具體舉例見(jiàn)表3-1所示,彎曲模量隨滑石粉含量增加而提高。
②提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性:具體體現(xiàn)在降低收縮率、降低翹曲、降低線膨脹系數(shù)、降低蠕變、增加各向同性程度,尺寸穩(wěn)定效果大小依次為球形填料>顆粒填料>片狀填料>纖維狀填料。具體舉例見(jiàn)表3-1所示,成型收縮率隨滑石粉含量增加而下降。
③提高復(fù)合材料的耐熱性:具體性能指材料的耐熱性指標(biāo)為熱變形溫度,具體舉例見(jiàn)表3-1所示,熱變形溫度隨滑石粉含量增加而提高。
④提高復(fù)合材料熱穩(wěn)定性:無(wú)機(jī)粉體可以不同程度吸收促進(jìn)分析物質(zhì),從而降解熱分解程度。
此外,無(wú)機(jī)填充還可以提高復(fù)合材料耐磨性、提高硬度等。
填料的特殊改性性能
之所以稱為填料的特殊改性性能,是因?yàn)橛械奶盍嫌?、有的填料沒(méi)有這些改性功能,對(duì)同一種填料不同條件下可能有、可能沒(méi)有改性功能。
①提高復(fù)合材料拉伸和沖擊性能:無(wú)機(jī)粉體并不能總是提高復(fù)合材料拉伸和沖擊性能,只有在達(dá)到特殊條件才可以提高,而且提高幅度也并不大。無(wú)機(jī)填料達(dá)到一定細(xì)度后,填料表面包覆處理得好、復(fù)合體系中添加相容劑后,可以改善復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。不同填料品種的改善效果不同,對(duì)沖擊強(qiáng)度玻璃微珠>硫酸鋇>輕質(zhì)碳酸鈣>重質(zhì)碳酸鈣>滑石粉,對(duì)拉伸強(qiáng)度硅灰石>滑石粉>重質(zhì)碳酸鈣>輕質(zhì)碳酸鈣。
②改善復(fù)合材料的流動(dòng)性:絕大多數(shù)無(wú)機(jī)粉體都可以提高復(fù)合材料的流動(dòng)性,但滑石粉卻降低復(fù)合材料的流動(dòng)性。具體舉例見(jiàn)表3-1所示,復(fù)合材料熔體流動(dòng)指數(shù)(g/10min)隨滑石粉含量增加而略有下降。
③改進(jìn)復(fù)合材料光學(xué)性能:無(wú)機(jī)粉體可以提高復(fù)合材料的遮蓋性、消光性和散光性,如鈦白粉就是典型的遮蓋力強(qiáng)的無(wú)機(jī)顏料。
④提升復(fù)合材料燃燒環(huán)保性能:一是無(wú)機(jī)粉體材料可以使復(fù)合材料燃燒透徹,原因?yàn)槿紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫,增加氧氣接觸面積;二是無(wú)機(jī)粉體在復(fù)合材料燃燒時(shí)可以吸收部分毒氣體,降低毒氣排放量;三是無(wú)機(jī)粉體提高了復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能,使燃燒更加迅速,縮短燃燒時(shí)間。
⑤促進(jìn)復(fù)合材料的阻燃性:并不是所有的無(wú)機(jī)粉體對(duì)阻燃都有所幫助,只有含硅元素的無(wú)機(jī)粉體有助于阻燃性提高,可以作為阻燃協(xié)效劑。具體原因在含硅材料燃燒時(shí)可以在燃燒物表面形成阻隔層,減少氧氣接觸材料表面的概率,具體含硅填料品種如滑石粉、硅灰石、云母、硅藻土、分子篩、白炭黑等。而碳酸鈣、硫酸鋇等非含硅無(wú)機(jī)粉體反而影響阻燃性發(fā)揮,原因?yàn)楹刑妓徕}的復(fù)合材料在燃燒時(shí)會(huì)因樹(shù)脂膨脹而產(chǎn)生縫隙,從而增加復(fù)合材料接觸氧氣的機(jī)會(huì)。例如,含有30%碳酸鈣的聚乙烯復(fù)合薄膜燃燒時(shí)間為4s,而純聚乙烯薄膜的燃燒時(shí)間為12s,兩種相差3倍之多。
⑥優(yōu)化復(fù)合材料的其他性能:成核劑作用,當(dāng)滑石粉的粒度小于1um時(shí),在PP中可以起到無(wú)機(jī)成核劑的作用。阻隔紅外線作用,本身含有硅的無(wú)機(jī)粉體如滑石粉、高嶺土、云母都具有良好的紅外線和紫外線阻隔性能。透過(guò)X射線功能只有硫酸鋇具有,可以用于醫(yī)學(xué)上鋇透視的顯影劑。表面性能提高,可以改善復(fù)合材料的電鍍性、開(kāi)口性和印刷性能。熱傳導(dǎo)性能,可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。