填料的物理状态及其在复合材料中的应用

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：而对于各向同性的纵横比接近1的填料，对复合材料的成型加工有利，但对力学性能不利。片状填料除了补强作用外，还有利于气体阻隔性的提高，是典型的阻隔改性材料。④柱状填料：石膏和硅灰石为典型的柱状填料，柱的断面形状有圆形、正方形、长方形、六边形、三角形及多边形等，其纵横比值大于1，类似于纤维的结构。典型的纤维状填料有玻璃纤维、硅灰石、石膏、植物纤维及石棉等，滑石粉也可看成是纤维状填料，有时也称为针状填料。

填料形状可分外：球状、粒状、片状、纤维状、柱状、中空管状和中空微球状。除了球状和中空微球状两种填料为各向同性外，其他形状填料都为各向异性。对于各向异性类填料，其纵横比越大，补强度作用越强，越有利于力学性能的提高，但对成型加工不利。而对于各向同性的纵横比接近1的填料，对复合材料的成型加工有利，但对力学性能不利。

①球状填料：典型的代表为玻璃微珠和沉淀硫酸钡，玻璃微珠可以合成也可以从粉煤灰中提取，沉淀BaSO₄只能用化学反应制造。用球状填料制成的复合材料，加工流动性好，制品表面光泽度高，内部的内应力小，并有利于冲击强度的提高。

②粒状填料：粒状为介于球状和片状之间的一类填料，其表面不光滑，外形有立方体、多棱体和菱形体等，但纵横比接近于1。CaCO₃为典型的粒状填料，其他还有Al（HO）₃、CaSO₄及TiO₂等。

③片状填料：云母为典型的片状填料，其底面和厚度的比值较大，比值越大越有利于补强。例如底面和厚度的比值分别为200和50的云母填充PET，其弯曲强度分别为60MPa和40MPa。除云母外片状填料还有石墨、滑石粉及蒙脱土等。片状填料除了补强作用外，还有利于气体阻隔性的提高，是典型的阻隔改性材料。

④柱状填料：石膏和硅灰石为典型的柱状填料，柱的断面形状有圆形、正方形、长方形、六边形、三角形及多边形等，其纵横比值大于1，类似于纤维的结构。柱状填料的纵横比越大，越有利于补强。

⑤纤维状填料：纤维状填料的形状与柱状相同，只不过是纵横比更大，补强作用更强，可成为增强材料。典型的纤维状填料有玻璃纤维、硅灰石、石膏、植物纤维及石棉等，滑石粉也可看成是纤维状填料，有时也称为针状填料。

⑥中空管状填料：其外观同柱状或纤维状一样，只不过其内部为空芯结构。典型的代表为碳纳米管和纤蛇纹石石棉（卷层管状结构），可用于增强、轻质、隔音及隔热等用途。

⑦中空微球状填料：其外观同球状一样，其内部为空芯结构。典型代表为中空玻璃微珠、中空二氧化硅、空芯碳酸钙及中空石英等，具有吸收冲击能的作用，可提高复合材料的冲击强度。此外，还可用于轻质、隔音、隔热及光学等场合。

填料的粒度不同对塑料的改性效果不同：一般粒径在1000目以下，主要用于增量；粒径在1000～3000目，添加量在10%以下，有一定改性效果；粒径在5000目以上，属于功能填料，具有明显的改性效果；纳米级填料，因目前难以分散，只能做到与5000目一样的改性效果。一般而言，填料的粒度越细、尺寸分布越均匀，补强性能越好。近年来，随着填料的粒度不断变细与表面复合理论的不断发展，填料已由原来单纯的填充剂变为一种新型的功能性填充材料，填充大量的填料不会明显降低制品的性能，有些性能还会大幅度增强。

填料的粒度大小对填充制品的性能影响很大。填料的粒度越小，对复合制品的拉伸强度、冲击强度、光的散射、透明性及加工流动性都会有正面影响。尤其是拉伸强度和冲击强度，当填料的粒度较大时，两者都会下降。当填料的粒度小到一定值时，拉伸强度和冲击强度呈抛物线上升，即随填充量增加开始逐渐上升；达到一个极限值（最大值后），开始下降；填充量极限值的大小与填料的粒度大小有关，填料的粒度越小，极限填充量越大；反之填料的粒度越大，极限填充量越小；对于常规粒度填料，其极限填充量为0，即从开始填充起其拉伸强度和冲击强度就一值下降，随着填充量增加，其下降幅度越来越大。

在具体的选用过程中，需要填料粒度多大最合适？这主要看复合材料的性能要求，并不是任何情况下填料的粒度越细越好。当填充量一定时，填料越细，复合材料的力学性能越好。但填料越细，其价格越高；再者，填料越细，越易凝聚在一起，在基体中分散越难。传统的高速混合机难以完成1μm以下填料的表面处理任务，因为没等表面处理剂与超细填料充分接触，其自身早已因表面能高或摩擦产生的静电而凝聚成团了。在以后的混炼和熔融加工中，靠机械力和剪切力也难以打开，最后成为制品中的薄弱点。所以，纳米填料的使用，无论从分散技术、加工设备、改性幅度、性能价格比等方面，都还要有很长的路要走，塑料加工行业迄今为止的技术力量远远跟不上。

纳米材料因粒径很细，容易产生自身聚集，因此很难分散在树脂中，需要进行复杂的表面处理才行，目前常见的处理方式有：

①超声波分散：纳米材料虽然易聚集，但颗粒之间的聚集力为一种较微弱的物理吸附力，不同于蒙脱土（MMT）纳米单晶片层间的强离子键作用，所以选择超声波即可分开物理的吸附作用。

②偶联剂处理：超声波处理过的材料会再度聚集，应当马上用偶联剂处理，以确保永久分散。偶联剂选择硅烷类，如KH-550等。

③用表面活性剂处理：如季铵盐表面活化剂等。

④加入相容剂：常用的为PE-g-MAH、PP-g-MAH等功能官能团接枝聚合物。

（1）填料表面的物理性质

主要指填料的比表面积，微孔结构和液体物质的吸附量等。比表面积大的填料易于在树脂中分散，微孔结构多的填料易于吸收液体助剂和液体树脂。

（2）填料表面的化学性质

填料表面的化学结构往往与其内部不同，因为表面的官能团可与空气中的氧或水反应，从而引起内、外差别。如二氧化钛内部没有羟基，而外表含有大量的羟基。填料表面的化学性质活性越大，越易于表面处理，越易于分散在树脂中。