【前言】

　　無(wú)機(jī)填料在工程塑料改性中占有重要地位，結(jié)晶性塑料，如聚丙烯、POM、PET、PA等，由于其模量小，缺口敏感性強(qiáng)，沖擊強(qiáng)度低，作為工程塑料的應(yīng)用受到限制。添加無(wú)機(jī)填料改性之后，工程塑料可以明顯提升其強(qiáng)度、改善翹曲、本文以聚丙烯（Polypropylene）和尼龍（Polyamide）為例，科普無(wú)機(jī)填料在工程塑料改性中的應(yīng)用，起到舉一反三的效果：

　　【玻璃纖維】

　　▲玻纖生產(chǎn)車間（池窯拉絲工藝）

　　玻璃纖維是常用于工程塑料的填料，其主要成分為二氧化硅，及其他衍生金屬氧化物等，目前國(guó)際主流生產(chǎn)工藝為池窯拉絲法；根據(jù)玻璃中堿含量的多少，可分為無(wú)堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維和高堿玻璃纖維；工程塑料常用的玻纖以無(wú)堿短切玻璃纖維及無(wú)捻長(zhǎng)玻纖為主，添加玻纖后，工程塑料會(huì)有如下變化：

　　▲工程塑料常用短切玻纖

　　?優(yōu)點(diǎn)：

　　1、增強(qiáng)剛性和硬度，玻纖的增加可以提高塑料的強(qiáng)度和剛性，

　　2、提高耐熱性和熱變形溫度；以尼龍為例，增加了玻纖的尼龍，熱變形性溫度至少提高30℃以上，一般的玻纖增強(qiáng)尼龍耐溫都可以達(dá)到220℃以上

　　3、提高尺寸穩(wěn)定性，降低收縮率；

　　4、減少翹曲變形；

　　5、減少蠕變；

　　6、降低吸濕性；

　　?缺點(diǎn)：

　　制品模量上升，韌性會(huì)下降；對(duì)阻燃性能有不良影響，因?yàn)闋T芯效應(yīng)，會(huì)干擾阻燃體系，影響阻燃效果；玻纖外露會(huì)降低塑料制品表面的光澤度等

　　【玻纖處理】玻纖的長(zhǎng)短直接影響材料的脆性；玻纖如果處理不好，短纖會(huì)降低沖擊強(qiáng)度，長(zhǎng)纖處理好會(huì)提高沖擊強(qiáng)度。要使得材料脆性不至于下降很大，就要選擇一定長(zhǎng)度的玻纖。

　　【玻纖含量】產(chǎn)品的含纖量多少也是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。行業(yè)內(nèi)一般采取15%、25%、30%、50%等整數(shù)含量，具體需要根據(jù)產(chǎn)品的用途來(lái)決定玻纖的含量。

　　【結(jié)論】要獲得好的力學(xué)性能及表面效果，玻纖的直徑、長(zhǎng)度選擇及后續(xù)改性時(shí)的表面處理、玻纖含量等都至關(guān)重要！

　　[碳酸鈣]

　　碳酸鈣產(chǎn)品分為重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣。

　　▲工程塑料用輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）

　　重質(zhì)碳酸鈣簡(jiǎn)稱重鈣，英文簡(jiǎn)稱為GCC，是用機(jī)械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白至、貝殼等制得。由于重質(zhì)碳酸鈣的沉降體積比輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積小，所以稱之為重質(zhì)碳酸鈣。目前工業(yè)生產(chǎn)重質(zhì)碳酸鈣主要有二種工藝，一種是干法，一種是濕法。干法工藝與濕法相比可生產(chǎn)出成本較低，用途廣泛的產(chǎn)品。

　　輕質(zhì)碳酸鈣簡(jiǎn)稱輕鈣，又稱沉淀碳酸鈣，英文簡(jiǎn)稱為PCC，是將石灰石等原料鍛燒生成石灰主要成分為氧化鈣和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳，主要成分為氫氧化鈣，然后再通入二氧化碳，碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得?；蛘呦扔锰妓徕c和氯化鈣進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，然后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得。

　　碳酸鈣是最早被應(yīng)用于填充增強(qiáng)增韌PP的無(wú)機(jī)填料之一，且一直以來(lái)，微米級(jí)碳酸鈣的應(yīng)用都處于主導(dǎo)地位。研究表明，碳酸鈣的加入能使PP的沖擊強(qiáng)度升高，但拉伸強(qiáng)度降低，輕質(zhì)碳酸鈣的加入能同時(shí)提高的沖擊強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并且用硬脂酸處理過(guò)的PCC效果更好，用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理過(guò)的碳酸鈣能顯著提高PP的沖擊強(qiáng)度。

　　▲電子顯微鏡下碳酸鈣的晶體結(jié)構(gòu)

　　隨著納米級(jí)碳酸鈣的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，用納米碳酸鈣能同時(shí)增強(qiáng)增韌，且增韌效果比微米級(jí)碳酸鈣更好。研究表明，納米碳酸鈣的形態(tài)不同，復(fù)合材料的力學(xué)性能也大不一樣。立方形納米碳酸鈣有利于改善復(fù)合材料的沖擊性能，而纖維狀納米碳酸鈣則能明顯改善材料的拉伸性能，納米碳酸鈣能使PP球晶明顯的細(xì)化，并能促進(jìn)β晶型的生成。

　　【玻璃微珠】

　　玻璃微珠是一種新型的硅酸鹽材料，包括實(shí)心和空心兩種。通常將粒徑為0.5-5mm的玻璃珠稱為細(xì)珠，粒徑在0.4mm以下的稱為微珠;微珠根據(jù)不同的來(lái)源有多種，粉煤灰玻璃微珠是粉煤灰中提取出的一種輕質(zhì)微型球狀物質(zhì)，它的主要成分是二氧化硅，還含有多種金屬氧化物，粉煤灰玻璃微珠有耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，用于填充塑料不僅可增加材料的耐磨、抗壓、阻燃等性能，而且，它特殊的球形表面還可提高材料的加工流動(dòng)性，另外，它表面光澤度好，可增加制品的表面光澤，減少表面的污垢吸附。

　　▲玻璃微珠填料

　　玻璃微珠(GB)被廣泛用于PP的增強(qiáng)增韌。研究表明，隨著GB用量的增加，單、雙螺桿擠出PP/GB復(fù)合材料的拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和模量均呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而屈服強(qiáng)度則有小幅下降;斷裂應(yīng)變?cè)诘秃繒r(shí)有所提高，然后迅速下降，單、雙螺桿擠出材料的沖擊強(qiáng)度均有所提高，并在一定范圍內(nèi)隨GB用量的增加而增大，且單螺桿擠出材料的沖擊強(qiáng)度略高于雙螺桿擠出材料，GB粒徑對(duì)PP/GB復(fù)合材料的韌性有較大影響。

　　【硅酸鹽礦物】

　　目前，應(yīng)用和研究最為廣泛的硅酸鹽礦物有滑石粉、蒙脫土、硅灰石等，其中凹凸棒石、沸石也受到較多關(guān)注。

　　滑石粉和蒙脫土(MMT)均為層狀硅酸鹽礦物?；蹫槠瑺罱Y(jié)構(gòu)的硅酸鎂鹽類礦物，通常其粒度越細(xì)分散效果越好，可提高材料的熱變形溫度及表面光潔度;MMT層間距較大，常采用插層法制備PP復(fù)合材料，MMT在PP基體內(nèi)可形成良好的插層結(jié)構(gòu)，從而提高PP的抗沖擊及尺寸穩(wěn)定性。

　　凹凸棒石(ATP)是鏈層狀硅酸鹽。ATP是一種天然一維納米材料硅酸鹽礦物，其基本結(jié)構(gòu)單元為針狀或短纖維狀單晶體，ATP可以在微米填充和納米增強(qiáng)兩個(gè)水平上與聚丙烯進(jìn)行復(fù)合，提高材料的力學(xué)性能。這種新型的粘土短纖維克服了一般玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的流動(dòng)性差、外觀粗糙、對(duì)加工設(shè)備磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因而擁有較高開(kāi)發(fā)價(jià)值。

　　硅灰石是單鏈硅酸鹽礦物，通常呈片狀、放射狀或纖維狀集合體。研究表明，硅灰石填充塑料不但可以提高其力學(xué)性能，而且可以代替玻璃纖維使用，減少成本，但隨著填充量的增加，復(fù)合材料的硬度變大，對(duì)加工設(shè)備的磨損較嚴(yán)重。

　　▲水處理級(jí)沸石粉體

　　沸石為架狀硅酸鹽礦物。它擁有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)吸附或負(fù)載功能粒子，制備功能性較強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料，提高產(chǎn)品的附加值。因此開(kāi)發(fā)PP/沸石功能性復(fù)合材料極具潛力，成為目前研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　【鈦白粉】

　　▲鈦白粉（袋裝）

　　鈦白粉的化學(xué)成分為二氧化鈦，根據(jù)結(jié)晶形式不同，有金紅石型和銳鈦礦型，金紅石型是最穩(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)，結(jié)構(gòu)致密，硬度、耐候性和抗粉化性等優(yōu)于銳鈦型，對(duì)大氣中的各種化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，耐熱性好。鈦白粉加入以后不僅可提高產(chǎn)品白度，還可減少紫外線的破壞作用，可提高聚丙烯的光老化性能，還可提高制品的剛性、硬度和耐磨性，但其和結(jié)晶性材料，如PP、PA等相容性較差，對(duì)其進(jìn)行增容改性十分必要。

　　另外還有多種無(wú)機(jī)填料

　　如石墨填充（增加材料自潤(rùn)滑性能）

　　碳纖維填充（增加材料剛性、導(dǎo)電性等等）

　　▲短切碳纖維

　　【總結(jié)】

　　近年來(lái)，隨著工程塑料的蓬勃發(fā)展，無(wú)機(jī)填充改性材料越來(lái)越被青睞，目前，如何有效促進(jìn)無(wú)機(jī)填充在復(fù)合體系中的分散性、結(jié)合性，仍然是改性的重點(diǎn)，通過(guò)無(wú)機(jī)剛性粒子與聚合物的表面物理化學(xué)改性，界面相容劑的合成，確定適宜的加工工藝，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的界面分子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的有效提升則是后續(xù)重點(diǎn)發(fā)展方向。