基本介紹
- 中文名：填充劑
- 外文名：filler
- 別稱：填料、填加劑、填充物
- 材料：高嶺土、硅藻土、滑石粉、石墨等
填充劑的性質指標,填充劑的分類及品種,填充劑的套用,
填充劑的性質指標
(1)基本特性要求：填充劑的基本特性是指其在套用中對被填充物和填充物構成的複合體性能影響最大的，起主導作用的特性。
A 顆粒的形狀特徵和大小:顆粒的是填充劑的基本單元，顆粒的形狀、大小是顆粒的基本參數。顆粒的形狀有球形、立方體、塊狀、片狀、纖維狀等，通過當量球徑來定義粒徑的大小；
B 顆粒大小分布：填充物本身是顆粒的聚集體，不可能是大小均一顆粒的聚集，通過篩析來分級，去除一些級分。顆粒大小分布是填充物的重要性質，一般通過顆粒分布曲線表示，它直接影響其流變性、耐磨性、顆粒堆砌等特性；
C 顆粒的比表面積和表面自由能：比表面積是單位質量填充物的表面積，以m/g表示。其值大表示填充物提供的接觸面大，涉及填充物吸附能力和化學反應能力，表明接觸的機會就多；表面自由能是指固體填充物顆粒在液體物料中分散。或者液體浸潤填充物顆粒，在接觸面上必須克服由於各自的分子間的內聚力大於兩個不同組分之間的吸引力的能量堡壘。其值大小和填充物比表面積和組成有關，直接影響填充物在高分子物料中的分散程度；
D 顆粒的堆砌密度：是指一定質量填充物所占的體積，它直接影響被填充物的質量和效能；
E 填充物的化學組成：代表填充物的化學結構，組分相同的兩種填充物，填充後顯示的性能不同，這表明填充物的化學組成不能完全代表其性能，其他諸如顆粒大小、顆粒分布等性能，對填充效果也有重要影響。
(2)填充物的功能特性：填充物有許多特殊的功能，表現在：
A 光學性質：光反射性，填充物具有好的光反射性，可以使被填充物色澤鮮亮、美觀大方。螢光填充物可以在光線暗處顯示標識，利用折射率的不同可以增強或減弱光照；
B 熱學性能：包括填充物的導熱性、比熱容、熱膨脹性、熱穩定性等直接影響被填充的熱學性能好壞；
C 電學性能：填充物理論導電性能和實際導電性能存在差異，這是由於填充物表面含有氫氧基、表面吸附自由離子、變價金屬化合物雜質等原因造成，在使用時要考慮這些因素對被填充物性能的影響。
填充劑的分類及品種
填充物種類和品種繁多，主要有以下幾類：
（1）碳酸鈣類：碳酸鈣是最普通和最廉價的填充物，不同來原和性能的碳酸鈣如下：
A 普通碳酸鈣(白堊)：白色晶體或粉末，比重2.70-2.95，溶於酸而難溶於水。加熱到825℃分解為氧化鈣和二氧化碳。
天然產的碳酸鈣礦物有石灰石、方解石、白滅、大田石等，將它們磨成粉後叫為普通碳酸鈣。它們又有乾解與濕磨之別，粒徑在1.5-44微米之間，乾磨者粒度大於20微米而濕磨者小於20微米。
B 沉澱碳酸鈣：用二氧化碳通入石灰水或碳酸鈉溶液與石灰水發生沉澱作用生成的粉狀碳酸鈣，一般分為：
輕質沉澱碳酸鈣：比重2.50-2.60
重質沉澱碳酸鈣：比重2.70-2.80
沉澱碳酸鈣粒徑為1.0-16微米， 比表面積為5-25 m/克，折光率1.49，pH值10左右，不溶於水和醇，遇酸放出二氧化碳；有輕微吸濕性。
C 活性輕質碳酸鈣：這是一種粒子表面吸附一層脂肪酸皂的輕質碳酸鈣，無味無嗅的白色粉末，比重1.99-2.01。水分在0.5%以下，硬脂酸含量2-5%，粒徑小於0.1微米，比表面積25-28m/克，折光率1.49。不溶於水和醇，遇酸分解放出二氧化碳，在空氣中放置無化學變化，只有輕微吸濕能力。活性比普通碳酸鈣大，略具有增強作用。
（2）炭黑類：這類填充劑包括各種炭黑。炭黑是以液體或氣體碳氫化合物為原料，在空氣不足的條件下經部分燃燒或熱分解所生成的產物。炭黑的元素組成主要是碳，只含有少數氫和氧，是具有“準石墨晶體”構造和膠體粒徑範圍的黑色粉狀物質。因生產技術不同，炭黑可分成多種品級，但塑膠工業中常使用的有以下兩種：
A 天然氣槽黑：黑色粉狀物質，表面比較粗糙，在空氣中易吸潮。平均粒徑23-30毫微米，比表面積130-160m/克。
B 混氣槽黑：這是一種用煤焦油中的蒽油、萘油等氣化後和天然氣混合為原料製成的炭黑。
所謂炭黑的“結構”是指炭黑聚集成串排列的趨向，這種“結構”對炭黑—聚合物系統的流變性能起重要的作用。“高結構”炭黑促進聚合物高粘度、高彈性模量、低流動速率和光滑的低溶脹擠出，炭黑加入聚合物中既有保護光降解和抗熱氧化作用，又能提高塑膠製品的剛性。
（3）纖維素類
A 碎紙：可用牛皮紙、白紙、著色紙等度紙為填充劑。一般是將紙張浸泡於樹脂中，乾燥後切片，然後以此為材料壓製成板材。
B 木粉：廣泛用於熱固性樹脂，抗沖強度高、收縮性小、電性能好、價廉。木粉粒子以大小均勻為好，木片、樹皮等大顆粒應除去。
C 棉屑：棉屑是由棉布剪裁或棉紡淨化對所獲得，填充棉屑的塑膠製品抗沖性能有改善，而且體積大。
D α-纖維素：α-纖維素是一種無色纖維素，為木漿經鹼處理後的產物。主要用於淺色脲醛及三聚氰胺甲醛樹脂配方中。用α-纖維素作填充劑的製品其抗沖強度沒有木粉作填充劑的製品好，硬度較高、不影響比重，而成型收縮率低。
E 花生殼：花生殼是含酚量很高的、來源豐富的廉價填充劑。花生殼粉可以適當改進HDPE、PS、PP的性能並降低成本。花生殼粉表面大體上無極性特徵。其吸水性也較木粉小。
F 胡桃殼：胡桃粉是加工胡桃時產生的廢料，由於含有大量木質樹脂和角質蠟，所以它是不吸水的。
G 玻璃纖維；主要用於塑膠增強。
（4）矽酸鹽類
A 石棉：白色至灰白色纖維狀物質。化學性質穩定，耐鹼性強、耐酸性差，絕電、絕熱性能好。在塑膠工業中，石棉一般指溫石棉。溫石棉纖維長度不一，天然產品長度約1英寸，直徑0.025-0.035微米，工業套用時需磨短。纖維有細軟絲狀和粗糙狀之分。粗糙狀纖維不可彎曲、研磨時容易折斷；而細軟絲狀則可彎曲，不易折斷，但強度大，在塑膠工業中的套用也較廣泛。
B 陶土：陶土的主要成分為高嶺土，用於聚酯和環氧樹脂方面有耐磨及吸水性低的優點。經600℃煅燒後稱為煅燒陶土，經研磨成細粉末後可用作聚氯乙烯填充劑，並可改善塑膠的電絕緣性能。煅燒陶土質硬難以磨細，所以加入煅燒陶土的製品表面光滑度不及加入碳酸鈣的好。陶土煅燒溫度如超過1000℃，則質更硬，很難細磨，電絕緣性能反而降低，故不宜作塑膠的填充劑。
陶土有吸濕性，所以要注意貯藏條件，避免受潮。陶土的吸增塑劑量大於碳酸鈣。
C 雲母：這是雲母族礦物的總稱，是複雜的矽酸鹽類，單斜晶系，晶體常成假六方片狀。集合體是鱗片狀，有玻璃光澤。解理平行底軸面極完全。薄片具有彈性，種類很多，在塑膠工業中廣泛使用的有以下幾種：
白雲母:白色、淡黃色、談棕色或筋紅色，薄片透明，比重2.76-3.1，硬度2.0-2.5
黑雲母:黑色、深棕色或深綠色，比重2.8-3.2，硬度2.5-3.0。
金雲母:金雲母也稱鎂雲母，黃色至深棕色。雲母具有優良的耐熱、耐酸鹼性和電氣絕線性。雲母粉也易與樹脂混合。
D 滑石:白色或淡黃色，單斜晶，常成片狀、鱗片狀或緻密塊狀集合體。玻璃光澤，片狀解理極完全。滑石有滑膩感，極軟，化學性質不活潑，耐火性和電絕緣性均良好。
E 矽酸鈣(矽灰石):矽酸鈣也可稱為矽灰石，用於提高熱固性樹脂、PVC、聚烯烴、尼龍和環氧樹脂的耐化學、耐濕性能，降低成型收縮率，並有優良的尺寸穩定性、韌性、硬度、電和熱的絕緣性。
F 中空微球：中空微球可由熔體噴射法、直接加熱發泡法、發泡劑發泡法、芯材分解法、加熱炭化法、煙囪灰回收法等多種方法製成。
（5）二氧化矽類:
A 硅藻土：硅藻土是由硅藻的矽質細胞壁組成的一種生物化學沉積岩。淺黃色或淺灰色。質軟，多孔而輕，易磨成粉末，能強吸水性，溶於強鹼溶液，是絕熱、聲、電的材料。
B 石英：石英是分布很廣的一種造岩，三方晶系。常成六方柱和六方雙錐形晶體，並成晶簇和晶洞。透明、半透明或不透明。無解理、貝殼斷口。晶面有玻璃光澤。斷口是類似脂肪光澤的玻璃光澤。塑膠工業中作填充劑用的一般是石英粉。
C 矽石：矽石在自然界中分布很廣，呈白色或無色，矽石的耐熱、耐化學品性能很好，熱膨脹係數低電絕緣性能好。
D 白炭黑(也稱膠體二氧化矽、水合二氧化矽，氣相二氧化矽)。白色無定形細微粉末，折光率1.46，粒徑及含水量隨製法不同而異。白髮黑絕緣性好，不溶於水和酸、溶於苛性鹼及氫氟酸，受高溫不分解，吸水性強，在空氣中易潮解，性能與炭黑類似，但呈白色，在空氣中吸收水分後成為聚集的細粒子。
（6）金屬氧化物
A 二氧化鈦(又名鈦白粉):金紅石和鈦鐵礦是生產二氧化鈦的二種最主要的天然礦物。在塑膠工業中套用的以金紅石為主，將它與氯氣反應生成四氯化鈦，然後水解即可得純二氧化鈦。
用於塑膠的二氧化鈦應是有良好耐光性的白色粉末，雖然在塑膠，特別是在聚氯乙烯配方中，二氧化鈦的套用在百份樹脂中可達50份，但嚴格地況，它一般不作為填充劑用而把它看成是一種萬能的白色顏料。
B 金屬粉:為了使塑膠有金屬的色澤，增加導電、導熱性和提高剛性、硬度、耐熱性等，往往在塑膠中添加不同量的各類金屬粉末。
（7）無規聚丙烯(簡稱APP)
丙烯採用齊格勒—那塔催化劑聚合時，可以獲得95%左右的高等規度，但畢竟還有5%的無規聚丙烯存在，它們是粘稠物，沒有什麼機械強度和耐熱性，因此曾作為聚丙烯生產廠的累贅。但是經研究發現這種無規聚丙烯中混入一定量的碳酸鈣製成的APP填充母料在聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的加工中都能起很好的作用，添加量一般可達20%左右。這不僅對無規聚丙烯是變廢為寶的出路，而且提高了被填充塑膠的塑性、韌性和彈性，又降低丁生產成本。用APP填充母料作填充劑的聚丙烯可以用來生產打包帶、撕裂薄膜、扁絲、編織袋、周轉箱、中空容器等。
填充劑的套用
填充劑套用領域廣泛，對被填充物料的性能影響大，由填充劑構成的複合材料套用廣泛，主要的套用如下：
（1）橡膠用填充劑：無論天然橡膠，還是合成橡膠，大多橡膠加工製品中填充劑的加入量占其總重量的10~50%，套用的品種幾乎概括了所有填充劑品種，採用的加入方法主要是混煉。根據對橡膠製品磨耗、伸長率、硬度拉伸強度、永久變形、撕裂強度、會彈性等要求的不同選用不同的添加劑及加入量，改善其性能及經濟性；
（2）塑膠用填充劑:可以將塑膠用填充劑分為兩類，其一是增量填充劑，其二是增強填充劑。前者的作用主要是降低成本，但用於填充劑的加入，是熱塑性塑膠的密度、硬度、彈性模量、力學性能對溫度的依賴性也發生改變。增強填充劑的套用 ，除了降低成本之外，主要作用是提高了塑膠的強伸性能及衝擊強度，因此合理選擇增量填充劑和增強填充劑品種和用量及匹配能產生雙重的效果；
（3）造紙用填充劑：在造紙工業中為了提高紙張質量和降低成本，要在紙漿中加入基本不溶於水的填充劑，從而改進紙張的印刷性能、柔韌性、強度等，加入量1~40%，主要品種是碳酸鈣等；
（4）塗料用填充劑：填充劑在塗料中起骨架的作用，增加塗抹的厚度，降低塗料的成本，賦予塗料某些特殊性能，如耐腐蝕、耐久性、增容不強等作用，主要品種有碳酸鈣、雲母、二氧化矽、高嶺土等。
