填料及表面处理

2.纤维的表面状态
为保证纤维与树脂的有效结合，需对纤维进
行偶联处理。处理的方法有洗涤法、热处理法
和化学处理法，以化学处理法最为常用。
3.纤维在基体树脂中的分布
当增强材料加入到热塑性塑料和热固性塑料
中后，成型时会象大分子一样沿着熔体流动的
方向产生定向作用。纤维在基体树脂中的分布 应根据制品的种类和用途加以控制。
（1）桥联作用 能通过分子间力或化学键力
与聚合物材料相结合，将其自身的特殊性能
与聚合物材料的基本性能融为一体。
（2）传能作用 由于增强材料与聚合物材料 之间的桥联结合，若聚合物材料中某一分子 链受到应力时，应力可通过这些桥联点向外 传递扩散，从而避免材料受到破坏。 （3）补强作用 在较大的应力作用下，如果 发生了某一分子链的断裂，与增强材料紧密
量。
二、常用填充剂
1.无机填充剂
大多数情况下，无机填充剂是没有增强
作用的矿物性填料。这些填充剂的加入，往
往会在一定程度上使复合材料的力学强度降
低，其主要作用是降低成本，是填充剂的主
体。这类填充剂品种繁多，用途广泛，也有
少数此类填充剂在适当用量范围内具有一定 的增强作用。
（1）碳酸钙（CaCO3） 是目前塑料工业中应用最为广泛的无机粉 状填充剂，一般可分为三类：重质碳酸钙、轻 质碳酸钙和活性碳酸钙（也称为胶质碳酸钙、 改性碳酸钙、表面处理碳酸钙、白艳华，简称 活钙） 重质碳酸钙：由石灰石（主要成分是方解石）
OH + CH3 CH CH3 O Ti [ O C O (CH 2)14 CH CH3 CH3]3
( TTS )
O
Ti [ O
C O
(CH 2)14 CH CH3
CH3]3
单烷氧基焦磷酸酯基型：这种偶联剂
适用于含湿量较高的填料体系，如陶土、
滑石粉等。如（TTOPP-38S） 。 螯合型：这种偶联剂适用于高湿填
增强材料：是指加入到塑料中能使塑料制品
的力学性能显著提高的填料，
也 称为增强剂。
一般为纤维状冲击强度、弹性模量、刚性等成倍提高；
同时可使制品的尺寸稳定性提高，收缩率降
低，热变形减少。
从未来的发展趋势看，随着增强材料的
廉价化和填充剂的增强化，二者之间的界限
合成 材料
一般说来，有机填充剂大多难以承受较高
的成型加工温度，在成型加工过程中，首先 是水分的蒸发，然后是油、蜡及其它成分的 变化。所以，有机填充剂的作用仅限于成型 加工温度比较低的塑料，如PE、PP、PVC、 PS等塑料。
3、纳米填料
所谓纳米填料是指粒子尺寸在1～100nm之
间的粉状或层状填料，常用品种有Al2O3、
在塑料工业中，碳纤维可作为热塑性树脂和 热固性树脂的增强材料，如用于EP、PF、 UP、PA、PC、ABS、PS、PE、PP等。用量 一般为10%～40%。 碳纤维增强塑料的主要优点是质轻、强度 及刚性高、耐疲劳、耐蠕变、耐摩擦、热膨 胀性小、尺寸精度和稳定性高、耐腐蚀性及
耐热性好，并具有抗静电和导电特性。但也
三、常用增强材料
1.无机纤维
（1）玻璃纤维 玻璃纤维（GF）简称玻纤，
是由熔融的玻璃经快速拉伸后经冷却所形成
的纤维状物质。由于玻璃纤维具有密度小、
强度高、耐热性好、化学稳定性及电气绝缘
性优良等特点，已成为最基本的、应用最广
泛的增强材料。
按化学成分可把玻璃纤维可分为以下几种： 无碱玻璃纤维：含碱量低于0.5%或0.7%，电绝缘性、 强度和化学稳定性优良，是玻璃钢最重要的增强材 料。
将会变得越来越模糊。
第二节 填充剂
一、填充剂的性质对树脂性能的影响 1、颗粒的形状
薄片状、纤维状填充剂使加工性能变差， 但力学性能优良； 无定形粉状、球状则加工性能优良，力学 性能比薄片状和纤维状差。
2、颗粒的大小
填充剂颗粒一般以0.1～10µm粒径为好。
细小的填充剂有利于制品的力学性能、尺寸
：
经选矿、粉碎或湿法研磨、分级与表面处理而
成。粒子形状不规则，相对密度为2.71，折光
率为1.65，吸油量为5%～25%。
轻质碳酸钙： 是用化学方法制成，多呈纺锤形棒状或针 状，粒径范围1.0～1.6µm，相对密度2.65，折
：
光率为1.65，吸油量为20%～65%。 石灰石煅烧——石灰——熟石灰消化——
作为填料用炭黑，可以使用较大粒径的炉
法炭黑，一般为25～75µm；作为着色剂作用，
一般可选用色素炭黑。炭黑在聚合物（尤其
是橡胶）中兼有增强作用，因此在一定意义
上也可以说炭黑是一种增强材料。
（3）白炭黑（SiO2· 2O） nH 白炭黑即二氧化硅、微粒硅胶或胶体二氧 化硅等。这也是塑料工业中广泛使用的增强性 填料，其增强效果仅次于炭黑，并且成型加工 性良好，尤其适用于白色或浅色制品。 用白炭黑制成涂料，涂于人造革表面，可
到了类似偶联剂的作用，但经偶联剂表面处
理过的填料，具有更高的活性。
（1）高级脂肪酸及其盐
作用：
①可改善无机填料与聚合物基体的亲合
性，提高其在聚合物基体中的分散度。
②具有润滑作用还可使复合体系的内摩
擦减小，改善复合体系的流动性能。 代 表 品 种 有 ： HSt、NaSt、CaSt、ZnSt，
AlSt等。
面处理，制得的活性碳酸钙已广泛用于PVC、
PE、PP等塑料制品中。
2.表面处理剂
表面处理剂是为了提高粘接能力，改善成
型加工性能而用作处理塑料、填料、颜料或
粘接载体等表面的物质。主要是脂肪酸及其
盐类、磺酸盐及其酯类、有机低聚物、有机
胺及硅油类、不饱和脂肪酸等等。
从本质和作用上看，表面处理剂和偶联
剂并无太大区别，一些填料表面处理剂也起
Fe2O3、ZnO、TiO2、ZrO、SiO2、蒙脱土
（即高岭土、粘土）等。
用纳米填料填充的树脂，通常称为“纳米 填料填充塑料”，可简称为“纳米塑料”。 纳米塑料显示出了一系列优异性能：强度
：
高，耐热性好，密度低，并赋予制品良好的透 明性和较高的光泽度。某些纳米填料还赋予塑 料阻燃、自熄性及抗菌性。对于一些高黏度塑
结合的其它链可起加固作用而不致迅速危及
全体。
（4）增黏作用 聚合物中加入增强材料后， 使体系的黏度增大，从而增大了内摩擦。当 材料受到外力作用时，这种内摩擦吸收更多 的能量，从而增大抗撕裂、耐磨损性能。 二、增强材料的性质 1.纤维长度及形式 （1）绳 （2）布 （3）带 （4）无捻粗纱 （5）短切纤维
（5）滑石粉（3MgO· 4SiO2· 2O） H
主要成分为水合硅酸镁，由天然滑石
粉碎精选而得。化学性质不活泼，粉体极
软，有滑腻感。作为塑料用填料可提高制
品的刚性，改善尺寸稳定性，防止高温蠕
变。与其它填充剂相比具有润滑性，可减
少对成型设备和模具的磨损。
（6）云母粉 是由天然云母粉碎而得，其组成非常 复杂，是铝、钾、钠、镁、铁等金属的硅 酸盐化合物。 塑料中常用的云母粉有白云母和金云 母两种，尤以白云母应用最多。作为塑料
机物表面的化学基团反应，形成牢固的化学键合；
不相同的材料牢固地结合起来。
（1）硅烷偶联剂 硅烷偶联剂是目前品种最多、用量最大的 偶联剂，主要用于处理玻璃纤维。 其通式为RSiZ3。式中R为有机基团，例 如乙烯基、环氧基、甲基丙烯酸酯基、硫醇 基等；Z是能够水解的烷氧基，例如甲氧基、 乙氧基及氯等。
（2）有机低聚物
代表品种是聚烯烃低聚物如无规PP和
PE蜡。
填料及其表面处理技术
本章 学习目的： 1、理解和掌握填料、填充剂和增 强材料的概念; 2、掌握填充剂与增强材料主要品 PVC具有什么特性 ？ 种的性能; 3、熟悉偶联剂和填料表面处理的 相关知识。
第一节 概述
1、填料
填料：是为了降低成本或改善性能等在塑中
所加入的惰性物质。
结构
无机类和有机类
矿物、植物和合成类 颗粒状和纤维状
石灰乳碳化——固液分离——干燥——包装
活性碳酸钙： 是一种白色细腻状软质粉末，颗粒表面吸 附一层脂肪酸皂，使其具有胶体活化性能，
其生产工艺路线与其它碳酸钙基本相同，只
是增加了一道表面处理工序。这种碳酸钙用
作塑料填料时可使制品具有一定的强度与光
滑的外观。
（2）炭黑 炭黑是在控制条件下不完全燃烧烃类化合 物而生成的物质，其品种较多，一般按制法 来分，有槽法炭黑、炉法炭黑和热裂法炭黑 等。 炭黑具有紫外线屏蔽作用，耐老化性能 越好，可降低制品的表面电阻率。
R
Si
OR' OR' OR' OH OH OH
H2O
R
Si
OH OH OH O O O
R
：
Si
+
HO HO HO
R
Si
（2）钛酸酯偶联剂
钛酸酯偶联剂具有独特的结构，对于热
塑性塑料与干燥填料具有良好的偶联效果。
尤其对聚烯烃等热塑性塑料具有较好效果。
根据分子结构与填料表面的偶联机理不同， 此类偶联剂有多种类型。 单烷氧基型：例如异丙基三异硬脂酰基钛酸酯 （TTS），其偶联机理为：
料纳米填料还具有良好的加工改性功能，如用
纳米填料填充的纳米UHMWPE变得容易加工，
为用PE代替部分工程塑料创造了条件。
第三节 增强材料 增强材料主要是指纤维状填料， 常用的 是玻璃纤维，它是如何起到增强作用的？ 一、增强材料的作用机理 增强材料在塑料中的最重要作用就是提高力 学强度，即增强。一般认为增强可通过下面 四种作用来实施。
填充剂，可赋予制品优良的电绝缘性、抗
冲击性、耐热性和尺寸稳定性，并可提高
其耐湿性和抗腐蚀性。
2、有机填充剂 有机填充剂是指一些天然或合成的有机物 天然 材料