填料對(duì)塑料的加工性能以及材料性能的影響

1、填料對(duì)塑料的加工性能以及材料性能的影響填料對(duì)聚氯乙烯塑料加工性能以及材料性能的影響基本上符合填料對(duì)大多數(shù)塑料影響的一般規(guī)律。1填充塑料的加工性能填料對(duì)塑料加工性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)熔體粘度的影響和熔體彈性（或剛性）的影響。眾所周之，包括大多數(shù)塑料在內(nèi)的熱塑性塑料。聚合物只有達(dá)到粘流態(tài)才能進(jìn)行成型加工，聚合物處于粘流態(tài)流動(dòng)并發(fā)生形變的行為稱之為高聚物的流變行為。在通常的成型加工過(guò)程中，處于粘流態(tài)的高聚物的流變行為屬于非牛頓液體，即在°=刀丫式中，表觀粒度Y不再是一個(gè)常數(shù)，它僅僅是在測(cè)定該流體流動(dòng)時(shí)所施加的剪切應(yīng)力T和當(dāng)時(shí)所發(fā)生的剪我們所關(guān)心的是在加入填料以后，填充塑料體系的流變性能發(fā)生

2、什么變化以及采取何種填料對(duì)填充體系影響最顯著的是熔體的粘度。EinStein研究填料濃度對(duì)填充體系粘度的影響時(shí)給出如下方程式3y=Y1（1+Kgu2式中刀1U2Kg依球狀、纖維狀、單軸取向填料不同而取不同值，該式均適用于不同形狀分散相粒分散相的幾何形狀對(duì)填充體等粘度的影響是明顯的，對(duì)于同樣長(zhǎng)徑比的填料，片狀填料填料的粒徑越小，在同樣濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，填充體系的粘度越高，而且粒徑越小，相互之間越易聚集在一起，呈聚集態(tài)的填料對(duì)填充體系的流動(dòng)性是不利的，見(jiàn)圖。圖中曲線1、2、3分別代表多個(gè)填料顆粒聚集在一起三個(gè)填料顆粒聚集在一起和填料以單個(gè)顆粒形式分散在基體中的情況。填充體系中填料的體積分?jǐn)?shù)由圖可

3、知，在同樣體積分?jǐn)?shù)時(shí)，呈聚集態(tài)的填料對(duì)應(yīng)的填充體系粘度高于聚集程度輕微的或以單個(gè)粒子形式存在的填料對(duì)應(yīng)的填充體系粘度。由此可以看成對(duì)填料進(jìn)行表面處理，降低其表面能，對(duì)于填料在基體塑體中的分散和減小因加入填料使填充體系粘度的上升都是總之，為了使填充體系有較好的加工流動(dòng)性，我們應(yīng)采用較高的剪切應(yīng)力，較高的加工溫度，同時(shí)應(yīng)盡可能對(duì)填料表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，并加人相?yīng)的助劑，以利于填料在基體塑填料對(duì)填充體系加工的另一個(gè)影響是離模膨脹現(xiàn)象減輕，可以說(shuō)成能夠減小擠出脹大比。熔融物料離開(kāi)模時(shí)其直徑要大于?？谥睆剑盍洗嬖谑咕酆衔锏膭傂栽龃?，彈性減小。2填充塑料的力學(xué)性能填料的加入對(duì)基體塑料原有的力學(xué)性能可能

4、帶來(lái)我們所希望的變化，但在大多數(shù)情況下填料的加入總是使填充塑料的彈性模量高于基體塑料，這首先要?dú)w因于填料的模量比高聚物的模量大很多倍。其次，分布窄、粒徑大的填料對(duì)應(yīng)的填充體系彈性模量增加較少；填如果填料表材料的拉伸強(qiáng)度反映的是單位截面面積上可承受拉伸應(yīng)力的大小情況。面占基體樹(shù)脂之間沒(méi)有任何聯(lián)系，甚至存在著空洞或氣泡，那么隨著填料份數(shù)的增加，真正承受拉伸應(yīng)力的基體樹(shù)脂在某一單位截面上的比例減小，拉伸強(qiáng)度的下降是自然的。填料的粒徑越大顆粒隨基體樹(shù)脂變形的可能性越小，相互之間產(chǎn)生空洞越明顯，拉伸強(qiáng)度的下降也并不是填料的加入一定會(huì)使填充體系的拉伸強(qiáng)度下降。如果填料的表面得到妥善的處理，通過(guò)偶聯(lián)劑或其他

5、表面處理劑使填料和基體樹(shù)脂兩相之間產(chǎn)生相互糾纏的過(guò)渡層；或者，如果填料的存在有利于基體塑料大分子沿拉伸方向迅速取向；或者填料本身具有較大的長(zhǎng)徑比，如玻璃纖維，碳纖維等，而這些纖維增強(qiáng)型填料的排列方向和受力方向一致，且纖維表面占基體塑料粘合良好，那么填充體系的拉伸強(qiáng)度不僅不會(huì)下降，反而還會(huì)高于純基體塑料。表1列出不同幾何形狀的幾種填料對(duì)填充HDPE表1不同幾何形狀白填料填充HDPE寸拉伸強(qiáng)度的影響單位：MPa填料種類幾何特征填充份數(shù)11020304050透閃石縱橫比24:128.1328.5029.7030.4030.0228.23大理石比表面積不肖大,塊狀28.1328.3028.4929.1

6、529.6530.25方解石重鈣塊狀28.1328.3028.1526.9524.1220.37粉煤灰光滑球狀28.1323.8021.1028.9017.6016.25表2和表3分別列出不同填料填充PP塑料時(shí)的拉伸強(qiáng)度數(shù)值及碳酸鈣粒徑大小對(duì)填充HDPE1料薄膜力學(xué)性能的影響表2不同填料填充PP的拉伸強(qiáng)度MPa單位：MPa純PPPP+40%CaCO3PP+40%粉PP+30%fPP+40臉母末經(jīng)表面處理PP+40疵母已經(jīng)表面處理33.9019.029.4443.7127.9242.68表3碳酸鈣粒徑大小對(duì)填充HDPEt膜力學(xué)性的影響CaCO3粒徑拉伸強(qiáng)度（縱/橫）/MPa斷裂伸長(zhǎng)率（縱/橫）%

7、過(guò)400目22.6/20.7309/286過(guò)1250目28.2/27.3342/347過(guò)2500目32.3/31.7350/410填充體系因填料的存在在受到拉伸應(yīng)力時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率都有所下降。填料的粒徑較小時(shí)，如果能在基體塑料中分散好，那么對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率下降的影響相對(duì)就小一些。填料的加入往往會(huì)使填充體系的沖擊強(qiáng)度明顯下降，這是填充改性獲得多種利益的同時(shí)帶來(lái)材料性能劣化的重要方面。作為分散相的填料顆粒在基體中起到應(yīng)力集中劑的作用，由于填料顆粒是剛性的，不能在受力時(shí)變形，也不能終止裂紋或產(chǎn)生銀紋以吸收沖擊能，因此會(huì)使填充塑料的脆性增加。當(dāng)然，填料的幾何形狀、分散情況及填料與基體塑料粘合情況都會(huì)或多或少

8、影響到?jīng)_擊強(qiáng)度，甚至還可以使填充體系的沖擊強(qiáng)度上升。近幾年發(fā)展起來(lái)的剛性粉子增韌理論認(rèn)為在塑料中加入剛性粒子，包括有機(jī)剛性粒子和無(wú)機(jī)剛性粒子，可以在不降低填充塑料強(qiáng)度和剛性的同時(shí)，提高其沖擊強(qiáng)度，此時(shí)材料的加工流動(dòng)性和熱變形性也不無(wú)機(jī)剛性粒子欲起到增韌作用，首先要具有適當(dāng)大小的粒徑。小粒徑的無(wú)機(jī)剛性粒子表面非配對(duì)原子多，與聚合物發(fā)生化學(xué)的或物理的結(jié)合的可能性大，如果這些小粒徑粒子又占例如用超細(xì)碳酸鈣填充PV照料時(shí)，PVC塑料占CaCO3勺質(zhì)量比分別為100:3和100:6時(shí)，填充體系的拉伸強(qiáng)度較低PVC基體有所降低，但沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率卻有所提高。如果再加入剛性有機(jī)物SAN（笨乙烯和丙烯臘共

9、聚物）或PG填充體系的沖擊性能還有較大幅度的提高。見(jiàn)表4。表4剛性粒子填充聚氯乙烯的力學(xué)性能填充體系純PVCPVCCaCO3100:3PVCCaCO31006PVCCaCO3SAN10O3:4PVCCaCO3PS100:6:4力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度/MPa52.451.248.447.048.0斷裂伸長(zhǎng)率%94152150160120沖擊強(qiáng)度/（kj/m2）7.211.313.514.220清華大學(xué)高分子研究所于建教授等人的研究成果證明用無(wú)機(jī)剛性粒子增韌是可能的，他們將碳酸鈣填料作為塑料的增韌改性劑來(lái)使用，通過(guò)改變不同相界面的調(diào)控方法，利用相界面的應(yīng)力傳遞方式對(duì)提高材料力學(xué)性能的誘導(dǎo)規(guī)律，使聚乙烯或

10、聚丙烯在高填充的情況下仍能大幅度提高其沖擊強(qiáng)度，同時(shí)填充的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度不會(huì)明顯下降。3填充塑料的其他性能填充塑料由于填料的存在并較之純基體塑料，其材料的硬度、摩擦性質(zhì)、熱性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電性質(zhì)、磁性質(zhì)乃至耐腐蝕性、降解性、燃燒性能等都會(huì)有所變化。只要我們使用填料得當(dāng)，就可以在保持必要的加工性能和材料力學(xué)性能的前提下，使填充塑料的性能朝著我們所希望的方向改變，在很多情況下填料使塑料基體材料獲得了新的功能灶，從而為其在更剛性的無(wú)機(jī)礦物填料往往使填充塑料獲得較高的硬度，由于塑料的硬度就其本質(zhì)而言，是塑料彈性模量的一種量度，因此可以使塑料彈性模量提高的填料，同樣也可以使其硬度增大。對(duì)于填充塑料，

11、球壓痕硬度較之邵氏硬度更能準(zhǔn)確地反映出填料對(duì)材料硬度的影響。有時(shí)塑料材料的表面要求耐磨耗或具有較低摩擦系數(shù)。使用低摩擦系數(shù)的填料如青銅粉、石墨、二硫化鋁等，可以減小動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，甚至像聚四氟乙烯塑料中加入二硫化鋁時(shí)，可以做到無(wú)油潤(rùn)滑。另一方面填料本身硬度高，對(duì)填充塑料材料表面耐磨耗性是有益的，例如粉煤灰玻璃微珠或石英砂加入到聚氯乙烯塑料中制成半硬質(zhì)地板塊，可以大大提高其耐磨耗性；超高分子量聚乙烯塑料的耐磨耗性十分突出，但如果加入粉煤灰玻璃微珠，其磨耗值還可進(jìn)一步下降，耐磨性可提高30%在使用高硬度填料以提高填充塑料耐磨耗性的時(shí)候，必須高度重視高硬度填料將對(duì)所接觸的加工機(jī)械設(shè)備和模具的金屬

12、表面造成嚴(yán)重破壞，這也是一些填料未能在塑料中大規(guī)模推填充體系的熱性質(zhì)包括對(duì)填充體系加熱或冷卻的速度影響、對(duì)填充體系線膨脹系數(shù)及成由于填料比高聚物有著大得多的熱導(dǎo)率，在比較碳酸車填充的PVC片材和純PVC片材在200c熱成型溫度時(shí)的加熱速度時(shí)得知，使PVC片材中心（1/2厚度處）達(dá)到200c所需時(shí)間其碳酸鈣填充的PVC片材（體積分?jǐn)?shù)0.25）要比純PVC片材短得多。填料的存在會(huì)影響塑料冷卻時(shí)的收縮。從熔融溫度冷卻到常溫，在填料顆粒周圍會(huì)產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力，填料分布不均或填料本身呈非球狀，特別是纖維狀時(shí)，冷卻過(guò)程中不均勻收縮會(huì)導(dǎo)致填充塑料制品形狀偏離預(yù)定的要求，出現(xiàn)凸凹不平或翹曲，同時(shí)也會(huì)使塑料的

13、線膨脹系數(shù)或成型尺寸收縮率減小。這不僅要求我們正確選擇填料并使其均勻分散，還要在冷填充塑料的耐熱性主要取決于基體塑料本身,由于填料可使體系的模量和粘度增加，特從理論上講填料的折射率與基體塑的但若有顯著差異時(shí)，則會(huì)明顯影響塑填料對(duì)塑料光學(xué)性能的影響首先表現(xiàn)在透光性上。折射率相近時(shí)，對(duì)其塑料的透明度即透光率影響不大,料的透光率。例如方解石制成的重鈣的折光率為1.66與普通塑料的折射率（1.5左右）存有明顯差別，因此重鈣填充塑料后，其透明度明顯下降，但重鈣較之具有更高折射率的鋅白（氫化專1.70）、鉛白（氧化鉛2.01）和鈦白（金紅石型二氧化鐵2.52）就相形見(jiàn)拙了，這就是填料的種類及粒徑對(duì)于同樣條件下獲得的填充塑料制品表面的光澤影響顯著，例如在ABS塑料中分別使用重質(zhì)碳酸鈣和沉淀硫酸鈣兩種填料，當(dāng)填加量為20份