填充剂又称填料﹐泛指被填充于聚合物中增加容量﹑降低成本的一类物质。在PVC中其主要作为增量剂(extender)﹐以增加体积降低成本为目的﹐因此填充剂不但须价廉﹐有一定的质量﹐且须有丰富之来源。随着塑料﹑橡胶等加工技朮的发展﹐填充剂的内涵和外延都发生了根本性的变化﹐重要体现在以下两个方面：1. 填充剂的主要功能从增加容量﹑降低成本的传统概念向改善聚合物性能﹑赋予聚合物新功能的方向发展﹐如用钛白粉改性提高聚合物耐性等。2.填充剂生产中超细化技朮﹑表面改性技朮和纳米技朮的应用﹐也赋予了填充剂新的功能。

填充剂作用机理大致归纳为以下几种﹕
1.填料粒子与聚合物相互作用﹐形成一定量的化学键﹑次价键。
2.填料表面与聚合物通过次价键或范得华力相连﹐形成海—岛结构﹐当受到外力作用时﹐将应力传递到填料与聚合物之间的结合部位﹐次价键断裂使间隙增大﹑形成微小裂纹﹐这一过程可以有效地吸收一部分外部能量﹐避免应力集中﹐从而改善力学性能。这类填充剂的粒径通过要求在1μm以下﹐并且有一个xx用量﹐用量太大或太小都不能得到xx效果。
3.对于玻璃纤维﹑碳纤维以及长径比较大的填料来说﹐其填充系受到外力时﹐外力首先作用到填充剂上﹐由于这类填充剂比聚合物有更高的力学性能﹐可以发挥增强的作用。
以上机理都是以填充剂的充分分散为前提。通常﹐改善填充剂的分散性有两种途径﹕一是减小填充剂的粒度﹐在一定范围内﹐粒度越小﹐分散性也越好﹔二是对填充剂进行表面处理。如果填充剂的粒度小于0.5μm﹐由于表面能较高﹐又会导致粒子间团聚﹐使分散性下降﹐因此填料的表面处理显得更为重要。

一﹑填充剂的性能
聚合物改性用的填充剂无论来源和加工方法如何﹐最终都以颗粒的形式出现﹐这些颗粒的几何形状﹑粒径大小及其分布﹑物理化学性质都将直接影响填充聚合物的性能﹐这也关系到填充改性技朮的成败和优劣。
（一）几何特征
粒子是填充剂存在主要形式﹐不同填充剂的粒子形态具有明显的差别﹐不同矿物在加工粉碎后的几何形状用长径比也不相同。
(二)粒径
聚合物改性所用的填充剂粒子的粗细即粒径大小是根据具体要求确定的。填充剂粒度越小﹐则填充材料的力学性能越好﹐但同时填充剂粒度越小﹐要实现其分散均匀越困难﹐需要更多的助剂和更好的加工设备﹐而且填充剂粒度越小所需要的加工费用越高。通常填充剂粒径可以用它的实际尺寸来表示﹐也可以用多少目的筛来表示。

(三)表面形态与性质
填料粒子的表面的粗糙程度不同,其表面积也不同。填料粒子的表面积不仅与粒子的几何形状有关﹐而且与其表面的粗糙度程度有关。比表面积是指填料单位质量的表面积﹐比表面积的大小对填料与树脂之间的亲合性﹑表面处理的难易程度以及成本有着密切的关系。填料粒子的表面能的大小关系到填料在基体树脂的分散程度﹐当比表面各一定时﹐表面能越大﹐粒子相互间越容易凝聚﹐越不容易分散。在处理填料表面时﹐降低其表面能是主要目标之一。
（四）物理性质
1．密度

填料的密度与相对应的矿物是一致的﹐而且当填料粒子均匀分散到基体树脂中﹐给填充材料的密度带来的影响的也是它的真实密度。由于填料的粒子在堆砌时相互间有空隙﹐不同形状粒子的粒径大小及分布不同﹐在质量相同时﹐堆砌的体积不同﹐有时差别会很大﹐因此它们的表观密度是不一样的。
2．吸油值

填料与增塑剂并用﹐如果增塑剂被填料所吸咐﹐就会大大降低增塑剂对树脂的增塑效果﹐而不同填料在等量填充时因各自的吸油值不同﹐对体系的影响也不同。例如重质碳酸钙的吸油值是轻质碳酸钙的4--5倍﹐故在达到同样增塑效果的情况下﹐使用重质碳酸钙可减少增塑剂的用量。由于重质碳酸钙的粒径比轻质碳酸钙大的多﹐因此虽然吸油值可减少增塑剂的用量﹐但其强度也相应变差。
3．硬度

填料粒子的硬度对塑料加工设备的磨损关系重大﹐但硬度高的填料可以提高填充制品的耐磨性能。对同一种填料﹐加工设备金属表面的磨损强度随着填料粒径抚养加而上升﹐当粒径大到一定程度后﹐磨损强度趋于稳定。
4．颜色及光学特性

为了对所填充的塑料基体的色泽不产生明显的变化或避免对基体的着色带来不利影响﹐通常希望填料是无色的﹐但这对大多数填料是不可能的﹐但至少应该是白色的﹐而且白度越高越好。填料的折射率和塑料的基体折射率有所不同。对多数填料来说﹐其折射率不只一个。填料的折射率和塑料的基体折射率之间的差别使填充塑料的透明性受到显著影响﹐对塑料着色的色泽深浅及鲜艳程度也有影响。
5．热性能

填充与加工大多都涉及到加热﹑熔融﹑冷却定型等过程﹐填料本身的热性能及其与塑料基体之间的差别同样也会对加工过程产生影响。
6．电性能

金属是电的良导体﹐因此金属粉未作为填料使用可影响填充基材的电性能﹐但只要填充量不大﹐树脂基体能包裹每一个金属填料的粒子﹐其电性能不会发生突变。只有当填料用量增加致使金属粒子达到互相接触的程度时﹐填充塑料的电性能将会发生突变﹐体积电阻显著下降。非金属大多都是电的绝缘体﹐但是碳黑经处理以后填充塑料也会使其体积电阻显著下降。
7．磁性能

具有磁性的粉未物质可用来作磁性塑料。
（五）热化学效应
高分子聚合物容易燃烧﹐大多数填料本身有不燃性﹐加入到聚合物中后可以起到减少可燃物浓度﹑延缓基体燃烧的作用。有的还可以与其它阻燃剂起到协同阻燃作用。氢氧化铝与氢氧化镁可以独立答为塑料的阻燃剂用。
二﹑填充剂的选择条件
由于填充剂种类繁多特性各异﹐制品所要求的特性也不同﹐因此无法以一种填充剂来满足所有制品的要求﹐在一般情况下﹐填充剂应具备以下条件﹕
1． 价格低﹑来源丰富﹑质量一定﹔
2． 分散性好﹐填充量大﹐相对密度小﹔
3． 不降低树脂的加工性能及制品的物理化学性能﹐xx具有广泛的改性效果﹔
4． 本身的耐水性﹑耐油性﹑耐化学腐蚀性优良﹑不被水和溶剂抽出﹔
5． 不影响其它助剂的分散性﹐不与它们发生有害的化学反应﹔
6． 纯度高﹐不含有对树脂有害的杂质﹔
7． 对增塑剂吸收量小﹐无曲折白化现象。

三﹑使用填充剂的目的
1. 增大容积﹐降低成本﹔
2. 改进混炼胶性能﹐如调节可塑度﹑黏性﹑防止收缩﹑提高表面性能等﹔
3. 改进硫化胶性能﹐如增加拉伸强度﹑抗撕裂强度﹑而磨耗性﹔调节硬度﹑弹性率﹔改进耐热性﹑耐油性﹑耐候性等﹔
4. 提高电性能﹑导热性﹑耐水﹑耐溶剂性﹔
5. 赋予阻燃性﹔
6. 抑制树脂硬化时的发热﹑防止龟裂﹔
7. 赋予隐蔽性﹑粘结性﹑粘合性﹔
8. 发挥其它作用﹐如减少硬橡胶硫化时的发热收缩﹐调节胶乳﹑胶浆的稠度等。

主要填充剂

一﹑碳酸钙
化学名 碳酸钙﹐重质碳酸钙﹑轻质碳酸钙﹑活性碳酸钙﹑沉淀碳酸钙﹑双飞粉﹑水应石粉﹑胶体碳酸钙﹑胡粉。
分子式 CaCO3
碳酸钙是一种物美价廉的填充剂﹐橡胶和塑料都大量使用﹐有的用量可高达70%,但多数添加量为30%以下。
1. 制法
重质碳酸钙是由xx石灰石经机械粉碎制得。具体制法可分为干法和湿法两种﹐干法是将石灰石用冲击式粉碎面粉碎后﹐用空气分级机分成适当粒度﹔湿法是用轮碾机或球磨机等机械加水粉碎﹐xx用渤水流将粒度分级。塑料使用的碳酸钙主要是用干法制造。轻质碳酸钙可用沉淀法制取﹐即用纯碱副产物沉淀制得﹐该方法少用。普遍使用的是二氧化碳合成法﹐将石灰石高温锻烧﹐然后经一毓化学反应而成。
为了改善碳酸钙在橡胶和塑胶中的分散性﹐提高补强性和其它性能﹐可用硬脂酸﹑胺类等各种有机表面活性剂进行处理。经表面处理的碳酸钙称活性碳酸钙或胶体碳酸钙。现大多采用钛酸酯偶联剂处理碳酸钙粒子表面﹐它不仅可以改善熔融流动性﹐而且可以增进物理性能。
2. 性质
重质碳酸钙粒子的形状不规则﹐相对密度2.710﹐折射率1.65。加热到898.6oC开始分解。轻质碳酸钙多呈纺锤形﹑棒状和针状﹐粒子较细。相对密度2.65﹐折射率1.65。分解温度为825---896.6oC。二者在空气中稳定﹐有轻微的吸潮能力。
3. 用途
酸钙是塑料中使用最广泛的填充剂之一﹐其价格低廉﹐来源丰富﹐相对密度小﹐在塑料中不但具有增量作用外﹐还有改善加工性能和制品性能的作用。碳酸钙质地软﹐对加工机械和成型机械磨损小。一般轻质碳酸钙的粒子比重质碳酸钙细﹐纯度高﹐含无机杂质少﹐在同样用量﹐填充轻质碳酸钙的制品表面划伤性和折弯白化性比填充重质碳酸钙小。轻质碳酸钙的xx特点是补强作用﹐可提高制品的冲击强度。轻质碳酸钙在某些软质PVC中有热稳定作用﹐它的使用可热稳定剂的用量﹐允许使用比较价廉的稳定剂或稳定性相对较差的稳定剂﹐如钙锌﹑钡锌等。
碳酸钙主要用于PVC﹐可提高制品的色调稳定性。由于碳酸钙吸油值较高﹐吸收增塑剂的量较大﹐在软质PVC中的分散均匀性较差﹐配合量多时﹐会降低押出制品的表面光滑性。与白炭黑并用﹐可提高分散均匀性。重质碳酸钙作为填料加入塑料中﹐不仅起到增容﹑增量﹑降低成本的作用﹐作为功能性填料﹐还可以提高加工性能﹑提高充填塑料的加工性能。此外加入重质碳酸钙﹐可改进塑料的散光性﹐起遮光或消光作用﹐提高塑胶制品的印刷性能和尺寸稳定性。它可作为PVC的次级稳定剂﹐受热时重质碳酸钙能阻止烟雾的产生。
二﹑碳酸镁
碳酸镁商品名为轻质碳酸镁﹐成分为碱式碳酸镁。多用于橡胶的填充剂。
结构式为xMgCO3.yMg(OH)2.zH2O
1.性质
外观为白色单斜结晶或无定形粉未﹐无*﹑无味。加热至300oC开始分解。碳酸镁是由数个结晶重合而成﹐折射率为1.520---1.530。
2.用途
碳酸镁的折射率与硫化胶相近﹐故多用作透明橡胶的填料。碳酸镁可作为橡胶制品的优良填充剂和补强剂﹐使用碳酸镁作为填充的硫化胶耐热性能好﹑生成热量小﹔缺点是撕裂强度较低﹐压缩xx变形大。
三﹑陶土
陶土又叫高岭土﹑白土﹑瓷土。陶土是一种自然界存在的水合硅酸铝矿物﹐主要成分是水合硅酸铝（Al2O3.2SiO2.H2O）。作为PVC的填充剂﹐最广泛使用的陶土是高岭土﹐其组成是含有不同结晶水的氧化铝和氧化硅结晶物﹐一般为纯高岭土和多水高岭土的混合物。高岭土可分为水合级﹑层离级﹑煅烧级和表面处理级几类。
1. 用途
高岭土用途广泛﹐当选择一种合适的高岭土来满足混合物料的应用需求时﹐应注意下列因素﹕1.必须确定混全物料中是否加入高岭土﹐在确定加入后﹐应考虑混合物料希望达到体何种性能﹐一般增加细度﹐有利于提高体系中的拉伸强度﹑模量﹑撕裂强度﹑硬度﹑冲击强度等﹐同时也有利于尺寸稳定性。2.扁平状的形态有利于改善制品的尺寸稳定性和阻隔性能﹐但缺点是会降低合缝线强度和抗冲击性能。3.对于较长的矿物质﹐能改进拉伸强度和模量﹑弯曲模量和定向冲击强度﹐但较长的填料易使制品翘曲。4.高岭土表面处理可以改善它在树脂母料中的润湿和分散程度﹐提高冲击强度﹑模量和撕裂强度﹐还可以改善电性能﹔5.对于对水分敏感的聚合物﹐应选用含水低于0.5%的锻烧高岭土。锻烧高岭土还具有化学惰性好﹐具有高亮度等优点﹐适用于电线胶料和要求色度保持也的塑料制品。
（1） 在橡胶工业中的应用 配合本品的胶料易于加工﹐胶料表面光滑。经锻烧除去水分的锻烧高岭土是较好的白色补强填充剂。其胶料硬度﹑拉伸强度﹑电阻率均比普通高岭土的胶料要好﹐特别是颜色和介电性能很好。
（2） 在塑料中的应用 锻烧高岭土可作为PVC的填充剂。它能使PVC制品的冲击强度﹑拉伸强度和电性能得到理想的平衡。此外高岭土对红外线的阻隔作用显著。在PP中除提高常规性能外﹐还能直到成核剂的作用﹐即在PP从高温状态冷却时﹐高岭土的存在可促使PP围绕高岭土颗粒结晶﹐其晶粒微细﹐数量增多﹐有利于提高PP的刚性和强度。
四﹑滑石粉
滑石粉的主要成份是水合硅酸镁。分子式为﹕3MgO.4SiO2.H2O或H2Mg(SiO3)4。滑石粉作为塑料用填充剂可提高制品的刚性﹐改善尺寸稳定性﹐防止高温蠕变﹐提高电性能。具有润滑性﹐可减少对成型机械或模具的磨损﹐但用量太多时不利于塑料的焊接。滑石粉适用于PVC胶料﹐因核本品的折射率（1.57）与PVC相近﹐故可用于半透明制品。

文章来源：U-TPE论坛

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