第二节 塑料填充的改性作用

传统的观念一直认为填料的唯一作用为降低复合材料成本，但实际上填料还具有很多改性功能，尤其是随着科学技术的不断发展，如前面介绍的无机粉体的细化技术、无机粉体的表面处理技术和表面包覆技术日趋成熟，填料能达到的改性性能越来越多。

一、塑料填充的正面改性作用

1.填料的共同改性性能

①提高复合材料的刚性：具体体现在弯曲强度、弯曲模量、硬度等性能指标上。填料中二氧化硅的含量越高，刚性改性效果就越明显。各类填料刚性改性大小依次为二氧化硅（提高120%）＞云母（提高100%）＞硅灰石（提高80%）＞硫酸钡（提高60%）＞滑石粉（提高50%）＞重质碳酸钙（提高30%）＞轻质碳酸钙（仅提高20%）。具体举例见表3-1所示，弯曲模量随滑石粉含量增加而提高。

②提高复合材料的尺寸稳定性：具体体现在降低收缩率、降低翘曲、降低线膨胀系数、降低蠕变、增加各向同性程度，尺寸稳定效果大小依次为球形填料＞颗粒填料＞片状填料＞纤维状填料。具体举例见表3-1所示，成型收缩率随滑石粉含量增加而下降。

③提高复合材料的耐热性：具体性能指标为热变形温度，具体举例见表3-1所示，热变形温度随滑石粉含量增加而提高。

④提高复合材料热稳定性：无机粉体可以不同程度吸收促进分析物质，从而降解热分解程度。

此外，无机填充还可以提高复合材料耐磨性、提高硬度等。

2.填料的特殊改性性能

所以称为填料的特殊改性性能，是因为有的填料有、有的填料没有这些改性功能，对同一种填料不同条件下可能有、可能没有改性功能。

①提高复合材料拉伸和冲击性能：无机粉体并不能总是提高复合材料拉伸和冲击性能，只有在达到特殊条件才可以提高，而且提高幅度也并不大。无机填料达到一定细度后，填料表面包覆处理得好、复合体系中添加相容剂后，可以改善复合材料拉伸强度和冲击强度。不同填料品种的改善效果不同，对冲击强度玻璃微珠＞硫酸钡＞轻质碳酸钙＞重质碳酸钙＞滑石粉，对拉伸强度硅灰石＞滑石粉＞重质碳酸钙＞轻质碳酸钙。

②改善复合材料的流动性：绝大多数无机粉体都可以提高复合材料的流动性，但滑石粉却降低复合材料的流动性。具体举例见表3-1所示，复合材料熔体流动指数（g/10min）随滑石粉含量增加而略有下降。

③改进复合材料光学性能：无机粉体可以提高复合材料的遮盖性、消光性和散光性，如钛白粉就是典型的遮盖力最强的无机颜料。

④提升复合材料燃烧环保性能：一是无机粉体材料可以使复合材料燃烧透彻，原因为燃烧时会产生裂缝，增加氧气接触面积；二是无机粉体在复合材料燃烧时可以吸收部分毒气体，降低毒气排放量；三是无机粉体提高了复合材料的热传导性能，使燃烧更加迅速，缩短燃烧时间。

⑤促进复合材料的阻燃性：并不是所有的无机粉体对阻燃都有所帮助，只有含硅元素的无机粉体有助于阻燃性提高，可以作为阻燃协效剂。具体原因在含硅材料燃烧时可以在燃烧物表面形成阻隔层，减少氧气接触材料表面的概率，具体含硅填料品种如滑石粉、硅灰石、云母、硅藻土、分子筛、白炭黑等。而碳酸钙、硫酸钡等非含硅无机粉体反而影响阻燃性发挥，原因为含有碳酸钙的复合材料在燃烧时会因树脂膨胀而产生缝隙，从而增加复合材料接触氧气的机会。例如，含有30%碳酸钙的聚乙烯复合薄膜燃烧时间为4s，而纯聚乙烯薄膜的燃烧时间为12s，两种相差3倍之多。

⑥优化复合材料的其他性能：成核剂作用，当滑石粉的粒度小于1μm时，在PP中可以起到无机成核剂的作用。阻隔红外线作用，本身含有硅的无机粉体如滑石粉、高岭土、云母都具有良好的红外线和紫外线阻隔性能。透过X射线功能只有硫酸钡具有，可以用于医学上钡透视的显影剂。表面性能提高，可以改善复合材料的电镀性、开口性和印刷性能。热传导性能，可以提高复合材料的导热系数。

二、塑料填充的负面改性作用

聚合物填充复合改性有提供正面改性效果的一面，也有起到负面改性效果的一面。

1.增大复合材料密度

无机粉体的相对密度大都在2.7以上，尤其以硫酸钡的相对密度4.5最为明显，这样就大大增加了复合材料的密度，为此我们一直在开发各类减轻质量的技术，如选用空心化无机粉体的玻璃微珠、合成硅酸钙等，具体见表3-2所示。

2.降低复合材料光学性能

①消光：无机填充材料降低了复合材料的光泽，不同无机添加剂对光泽度的影响大小为玻璃微珠＜沉淀硫酸钡＜重晶石＜高岭土＜碳酸钙＜玻璃纤维＜滑石粉44＜云母。以PP填充为例，不同填料PP制品的光泽度如表3-3所示。值得一提的是同一种材料，粒度越小对光泽度的影响也就越小，也就是越细越亮。

②透明性能：无机填充材料降低复合材料的光泽度和透明性，除非其折光率与树脂相同或者粒子尺寸在150～200nm左右才可以基本不影响复合材料的透明性。

3.降低复合材料力学性能

无机填充普遍降低复合材料的延伸性，具体体现为降低复合材料的断裂伸长率。大多数情况下影响复合材料的强度，具体体现为降低复合材料的拉伸强度和冲击强度。对于应力发白现象，粒度较大时增大应力发白，而粒度较细时有改善应力发白现象。降低薄膜热合强度，

主要以片状结构的滑石粉和云母粉最为明显，特别是滑石粉中二氧化硅含量越高，对热合强度影响越强烈。

4.加工时磨损设备严重

各种无机粉体的硬度都比较大，具体见表3-4所示。硬度越高对设备的磨损越大，只有滑石粉硬度比较低，对加工设备基本无磨损。球形度较高的颗粒特殊如沉淀硫酸钡和玻璃微珠，它们的球形外观可以起到滚珠的效应，达到减小磨损目的。

5.复合材料的色相

对于用天然矿石破碎生产的无机粉体因为产地不同而产生不同的色相，如碳酸钙和滑石粉有蓝色、红色、黄色等色相之分。不同的色相对复合材料配色产生影响，例如含有蓝色色相的碳酸钙对白色的PVC型材料颜色有影响，所以我们一般选择没有色相的轻质碳酸钙使用。

6.复合材料老化

所有无机粉体材料都会加速复合材料的老化，表3-5为滑石粉和碳酸钙对PE薄膜老化性能的影响。

7.复合材料的毒性

绝大多数无机粉体中都会含有杂质，这其中有可能含有有害的重金属如铅、镉、砷、汞等，也可能含有石棉等致癌物质，如果带入复合材料中就会影响复合材料的环保性能。例如有些地区产的滑石粉就含有石棉，当年加入化妆品中出口到韩国引起轩然大波。

8.复合材料颜色性影响

S白色的无机粉体对黑色和彩色等颜色的鲜艳度和深浅度都有影响，具体影响为使鲜艳度降低、彩色的深浅度变浅。而且无机粉体的折射率越大，影响就越大，具体影响顺序为金红石钛白粉（2.70）＞锐钛钛白粉（2.55）＞重晶石硫酸钡（1.70）＞轻质碳酸钙（1.65）＞沉淀硫酸钡（1.63）=硅灰石（1.63）=大方解石碳酸钙（1.63）＞高岭土（1.62）＞云母（1.60）＞大理石碳酸钙（1.59）＞小方解石碳酸钙（1.58）＞滑石粉（1.54）＞玻璃微珠（1.52）。

既然上面罗列了无机填充复合材料的正反两个方面的功效，那么一般在什么场合下需要聚合物填充制品？总结一下主要集中在这几个方面：特别强调制品的低成本；塑料制品性能要求不高，且使用期限很短；塑料制品的刚性和耐热性十分重要；特别强调制品尺寸稳定性和降低收缩率；特别强调无机填料的低碳排放性能。