金戈新材带你了解那些高分子材料用填料

一、填料概述

填料是一种主要原料为无机矿物或非金属矿物、经过加工后的具有一定化学成分、几何形状和表面特性的粉体材料。在高分子化工中，填料（填充剂）是用量最大的添加剂，几乎所有的塑料(包括热塑性和热固性塑料)、天然橡胶和涂料都使用大量填料。例如，制造塑料时加入木粉、陶土或碳酸钙等，不仅能改善制品力学性能，增加硬度，而且还可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的导电、导磁和耐热性；橡胶中加入炭黑或白炭黑可显著提高制品的物性；纺丝液中加入钛白粉可以遮光和染色。在涂料工业中常加入白色或带色填料（如钛白粉、滑石粉、碳酸钙、硫酸钡等）以改善涂料的光学、物理和化学性能。

二、填料的分类

1. 按填料的几何形态分类

颗粒是填料存在的形式。颗粒的形态并不十分规则，但不同的填料的几何形态有着显著的差别，不同填料的颗粒形态对制品的性能有显著影响。按矿物颗粒的几何形态分类见表1。

2. 按填料的化学组成分类

一般来说，在填充改性中填科的化学组成决定看填料的本质，尤其是赋子材料功能性时，其填料的化学组成起者决定性的作用。无机矿物填料按其化学组成可以分类见表2。

3. 按填料的应用领域分类

可作为矿物填料的矿种很多，用途也很广，按填料应用领城分类见表3。

三、填料的作用

填料不仅能降低塑料原材料成本，而且可以利用不同种类填料所具有的独特的物理、化学、几何特性来改变塑料的某些性能或赋予塑料以新的功能，填料在塑料中的主要作用如下。

1. 降低成本，增大容量

塑料材料或制品的总成本中，在不影响或有利于塑料材料或制品的具体使用性能前提下，尽可能寻求廉价的原辅材料，降低原材料的费用，会给企业带来更大的经济效益。如塑料打包带，使用纯PP，不仅功能大大过剩，而且相互咬合的摩擦力不够。采用碳酸钙填充改性，不仅可以达到使用强度要求，而且使PP打包带原材料费用下降将近一半；还因其表面纹路清晰，打包后相互之间不会滑动，更用利于使用。

2. 增强、补强作用

填料的活性表面可与若干大分子链相结合，与基体形成交联结构，填料效联点可传递，分散应力起加固作用，会提高塑料产品的硬度、强度。无机矿物填料的增强主要取决于对其粒度或比表面积和颗粒形状；粒径小于5μm的超细无机矿物填料和硅灰石、透辉石、透闪石、石棉等针状无机矿物填料及云母、滑石、高岭土、石墨等片状无机矿物填料具有一定和不同程度的增强或补强功能。一般来说，各种填料的增强效果顺序为：纤维填料＞片状填料＞球状填料。反之，各种填料在基料中的流动性顺序大致为：球状填料＞片状填料＞纤维填料。

3. 赋予聚合物部分特殊的新功能

填料可赋予被填充材料某些功能，如可调整塑料的流变性、可塑度、黏性、防止收缩、改进表面性能等；可改变塑料的化学性能，改变界面反应性、化学活性、耐水性、耐候性、防火阻燃性、耐油性、渗透性等；可使塑料制品获得原没有的特殊性能，导电性、导热性、压电性、隔声性以及对电磁波的吸收和对放射性的防护等。这些添加的填料一般被称为功能填料。填料的化学组成、晶体结构、光、热、电、磁等性质以及比表面积和颗粒形状对被填充材料起到重要的作用。填料主要赋予复合材料的功能见表4，部分填料的主要物理化学性能见表5。

四、填料的地位

填料在现代材料工业，如塑料、橡胶、胶黏剂、化纤、涂料、造纸、胶凝材料、建材等工业中具有重要地位，而且随着新材料工业，特别是复合材料工业的发展日益显得突出和重要，主要原因如下。

1. 它是在保证使用性能要求的前提下降低材料生产成本最有效的原料或辅料。

由于无机矿物填料，特别是作为普通增量填料的碳酸钙、陶土、滑石粉等价格较低，而作为塑料制品、橡胶制品、胶黏剂、化纤、纸浆等基料的树脂价格显著高于无机矿物填料，因此，在这些制品中填充一定量的无机矿物填料可以在满足相关产品标准，保证使用性能要求的前提下，显著降低材料的生产成本。

2. 它是获得具有独特功能复合材料最方便和有效的填料。

现代科技、经济和社会的发展对材料的功能性要求越来越高。单一的原料和配方越来越难以满足日趋提高的使用要求。对于高聚物基复合材料，如塑料、橡胶、胶黏剂来说，从高分子合成角度开发具有独特功能的全新结构的高分子化合物有时是难以实现的，有时则可能耗资巨大，耗时很长，而采用矿物填料填充改性常常是比较方便和易于实现的。

3. 它是综合利用矿产资源、替代或节约树脂的重要材料。

现代发展最为迅速的高分子材料是以树脂为基料的非金属材料，而合成树脂的原料是石油。非金属矿是储量丰富、部分与金属矿和固体燃料矿共生的矿产资源，将其综合利用并加工成矿物填料用于填充到树脂中生产高聚物基复合材料，在降低材料成本和赋予材料一定功能的前提下，还可以节约大量石油。目前塑料制品中无机矿物填料的用量平均已达到10%以上，部分塑料制品中矿物填料的用量已达到30%以上。

4. 它是提高材料或制品技术含量、增加其附加值的最适宜填料。

无机矿物填料来源广、品种多，可以加工成适应不同应用要求的功能填料，可以提升填充材料的产品技术含量从而增加其附加值。例如，在塑料制品中填充经过表面处理的超细碳酸以提高其韧性；添加片状结构的滑石和针状结构的硅灰石可以提高其强度；添加经过表面改性的超细氢氧化铝和氢氧化镁可以替代有机阻燃剂赋予其优良的阻燃性能；在建筑涂料中添加煅烧高岭土可以提高涂膜的强度和耐湿擦洗性；在纸品中填充滑石和碳酸钙可以提高其白度、平整度和印刷性；在橡胶中添加超细片状高岭土可以提高其强度和气体阻隔性等。

由于可以根据材料性能的要求从成分、结构、表面性质等方面性质等方面选择无机矿物填料，能满足不同应用的要求，可以在某一方面和几个方面显著提高填充材料或制品的技术含量，因此可以显著增加填充材料的附加值。

五、填料发展趋势及存在问题

超微级和纳米级填料的开发和利用无疑是增加填料附加值、突出填料功能性的一个新的主要发展方向。当填料颗粒进入纳米尺寸时，就会具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从而使微观结构非常特殊，表现出奇异的物理化学性能，具有优异的光、力、电、热、磁、放射、吸收、敏感、催化等特殊功能。现在一些超微级和纳米级填料已被开始用于开发高性能复合材料和功能性复合材料，如纳米级粒子填充LDPE、PP、PVC具有明显的增强、增韧效果。一定量的纳米粒子填充LDPE，复合材料的冲击强度为纯LDPE的2倍，伸长率达到625%仍未断裂。粒径为0.1～0.04μm 的CaCO3作为橡胶补强剂，主要指标均达到或超过半补强炭黑，可取代白炭黑、立德粉，具有良好的经济效益。但由于纳米粒子比表面积大、表面能高、表面存在着活性高的化学键，极易发生团聚。

因此怎样更好地解决纳米级填料在聚合物基体中的分散问题将成为决定纳米级填料能否得到更广泛的应用，能否实现更大经济价值的关键。可以说在无机非金属矿物填料的开发和利用方面，从过去只是为了降低成本到现在大量功能性填料的广泛利用，已取得了令人惊喜的发展。但仍然存在着一些亟需解决的问题，具体表现为：

（1）尽管无机非金属矿物填料在塑料、橡胶、胶粘剂等高分子材料及复合材料领域的应用非常广泛，其总量也很可观，但仍限于碳酸钙、滑石粉、硅灰石等少数几个品种。

（2）对填料表面改性机理和与高分子基体界面形态方面的研究不多也不深入。

（3）应加强基础理论与应用基础理论的研究，以便更好地用于指导生产，并转化为工业化技术。

通常在热塑性弹性体中使用的填料是碳酸钙和滑石粉，一般TPE-S使用碳酸钙较多，TPV使用滑石粉和碳酸钙都有。碳酸钙的颜色较白，滑石粉略微发灰。TPE-S中一般使用重钙，有成本优势，TPV中一般使用轻钙。另外，高岭土、硅灰石粉、白炭黑、透明粉、硫酸钡等填料在热塑性弹性体也有一定的应用。

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