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,如之前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。
塑料的填充改性是指在树脂中加入低成本的填料从而降低聚合物制品成本的一类复合技术。从塑料填充的定义中就可以看出,降低成本是填充改性的第一目的。其实塑料填充改性还可以改善复合材料的某些性能：在热塑性塑料中,填充可以改善复合制品的耐热性、刚性、硬度、尺寸稳定性、耐蠕变性、耐磨性、阻燃性、消烟性及可降解性,降低成型收缩率以提高制品精度;在热固性塑料中,除前述的性能改善外,对某些树脂是加工中必不可少的补强材料,如不饱和树脂、酚醛树脂及氨基树脂等都需要进行填充补强。
传统塑料填充改性大缺点为在降低制品成本的同时,导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,其中明显的下降性能有冲击强度、拉伸强度、透明性及制品表面光泽度等。
新型塑料填充改性大的优点为既可以降低成本又可以改善性能。这是因为随着填料品种的不断开发和粒度的不断细化,随着聚合物填充包覆技术的不断发展,聚合物的填充完全可以实现改性功能。
对塑料填充影响大的技术有如下两项:
一是超细填料和纳米填料的开发:众所周知,常规粒度填料的加入会导致复合材料冲击强度的大幅度下降，而超细填料和纳米填料的加入不但复合材料的冲击强度和拉伸强度不会下降,反而会有不同程度的升高,这就是刚性增韧和增强技术。
二是填料表面的多功能复合处理技术:填料表面的处理技术发展越来越快,其发展经历了从硬脂酸→单一偶联剂→多功能偶联剂→大分子偶联剂→相容剂→复合偶联剂的历程,使填料与树脂的结合力越来越大,对制品性能的提高幅度也越来越大。同时,近年来降低聚合物填充制品密度的技术不断涌现,并逐步开始进人市场。相信不久的将来聚合物填充技术可以实现改善性能、降低成本和保持低密度三大功能于一体,这样填充材料类就可以真正成为名副其实的改性材料了。
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球形二氧化硅(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:具体性能指材料的耐热性指标为热变形温度,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。
填料的特殊改性性能
之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1um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。