无机填充配方的设计实例

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：（一） PP填充配方实例PP是常用的填充树脂品种，填充的主要目的为降低制品的成本。PP填充配方实例如下。PP/高岭土填充配方：PP：69%；NDZ-401偶联剂：1%；高岭土：30%。玻璃微珠填充HDPE配方以在HDPE中填充粉煤灰空心玻璃微珠为例，不同含量的性能见表3-23所示。表3-24 不同HDPE-g-MAH含量下复合材料的性能（三） PVC填充配方实例填料是PVC常用的添加材料，尤其是在PVC硬制品如板、管及异型材中，加入的目的不仅是降低成本，还有提高刚性的作用。

（一） PP填充配方实例

PP是常用的填充树脂品种，填充的主要目的为降低制品的成本。此外，提高制品的刚性、耐热性和尺寸稳定性，也是重要的考虑因素。特别是近年来随着填充技术的不断发展，PP填充制品的改性成分越来越大，在降低制品成本的同时，同时提高其拉伸强度和冲击强度的填充制品已很成熟。随着木材资源越来越贫乏，以塑代木塑料制品在建材、家具、装饰、包装等方面需求量越来越大，以PP为树脂填充有机填料的仿木制品正在兴起。

在有些PP制品中，加入填料很有必要性。如PP打包带制品，加入碳酸钙可提高制品刚性，以满足机器打包的需要。再如，在PP的发泡配方中，加入滑石粉可提高发泡体系的黏度，降低破泡率，并有利于泡孔均匀。

由于PP与大多数填料的相容性不好，填料与PP复合前需要进行表面处理。

PP常用的填料有：碳酸钙、滑石粉、硅灰石、云母、高岭土、木粉、纸粉、麻纤维及农作物秆壳粉等。

PP填充配方实例如下。

仿木PP制品配方：

PP：50份；木粉（200目以上）：50份；马来酸酐接枝PP：6份。

加工条件：在200℃挤出造粒，再挤出片材。

相关性能：拉伸强度36.8MPa，弹性模量1538.6MPa，伸长拉率8.5%，悬臂梁冲击强度57.82J/m。

PP塑料窗扇配方：

PP：50%；抗氧剂1010：0.25%；炭黑：1%～2%；ZnSt：3%～4 %；木粉：45%；抗氧剂DLTP：0.25%。

相关性能：相对密度0.9985，收缩率0.2%～0.4%，拉伸强度16.3～22.76MPa，弯曲强度34.5～48.0MPa，冲击强度常温为11.6～12.1kJ/m²、0℃为9.8kJ/m²、-5℃为9.2kJ/m²。

具体配方为树脂+50%天然纤维+5%马来酸酐接枝树脂，其性能见表3-20所示。

表3-20 几种用天然纤维制成仿木塑料的性能

PP/云母填充塑料配方：

PP：100份；相容剂PP-g-MAH：10份；0.9%钛酸酯偶联剂处理的云母（500目）：10份。

性能：拉伸强度（MPa）32.1，冲击强度（kJ/m²）6.4。

碳酸钙填充PP打包带配方：

PP：100份；APP母料：20份；硬脂酸钙：0.2份；白油：0.2份；亚磷酸三苯酯：0.2份。

PP/高岭土填充配方：

PP：69%；NDZ-401偶联剂：1%；高岭土：30%。

性能：冲击强度5.6kJ/m²。

PP/滑石粉填充配方：

PP：68.5%；白油：0.5%；滑石粉：30%；PE蜡：0.5%；ZnSt：0.5%。

PP：100份；碳酸钙：5份；滑石粉：20份。

性能：拉伸强度38.8MPa，冲击强度4.6kJ/m²。

PP：100份；玻璃纤维：15份；云母：25份。

性能：拉伸强度58.8MPa，冲击强度5.82kJ/m²。

用熔融插层法制备PP/蒙脱土复合材料，当MMT的含量达到3%时，复合材料的拉伸强度略有下降，但冲击强度明显提高。复合材料的U形缺口冲击强度由3.54kJ/m²提高到8.83kJ/m²，提高幅度达到150%；V形缺口冲击强度由25.19kJ/m²提高到46.61kJ/m²，提高幅度达到85%。

具体配方与性能见表3-21所示。

表3-21 不同含量普通碳酸钙/PP复合材料的性能

碳酸钙/PP复合材料上述三种性能随碳酸钙加入量提高，一直在下降，无补强作用，纯粹属于增量填料。

（二） PE填充配方实例

同PP一样，PE的填充制品也很多。因其同填料的相容性十分不好，填充前填料需要进行表面处理，以提高同PE的结合力。

PE常用的填料为碳酸钙，并以重质碳酸钙为主。此外如木粉、淀粉、滑石粉、硅灰石、高岭土及工业废渣也有应用。

PE无机填料填充的典型应用为HDPE/碳酸钙复合制品钙塑箱。

PE有机填料的典型应用为LDPE/淀粉复合降解薄膜和PE木粉填充仿木制品。

（1）LLDPE/木粉/EAA填充配方

LLDPE：64%；木粉（40～60目）：27%；EAA：9%。

性能：冲击强度12.8kJ/m²，拉伸强度14MPa。

（2）木粉填充HDPE、LDPE配方

表3-22 木粉填充的性能

HDPE、LDPE：100份；脲醛树脂：8份；干燥木粉（100目）：100份；EAA：6份。

性能：木粉填充性能见表3-22。

（3）碳酸钙高填充PE配方

HDPE（5000S）：20%；LLDPE（DFDA-7042）：3%；LDPE（1F7B）：6.5%；EAA：0.5%；碳酸钙（800目、用1.5钛酸酯和铝酸酯复合偶联处理）：70%。

性能：弯曲强度22.88MPa，拉伸强度10.73MPa，缺口冲击强度2.98kJ/m²。

特点：可降解、价格低。

（4）HDPE钙塑箱配方

HDPE：90份；DCP：0.8～1份；EVA（VA=15%）：10份；HSt：2份；碳酸钙：100份；抗氧剂1010：0.2份。

（5）滑石粉填充LLDPE/LDPE超薄地膜配方

LLDPE（DFDA7042）：70份；超细滑石粉：3份；LDPE（1I2A-1）：30份。

性能：拉伸强度（MPa）纵22.3、横18.8，断裂伸长率（%）纵264、横540，直角撕裂强度（kN/m）纵102、横127。

（6）玻璃微珠填充HDPE配方

以在HDPE中填充粉煤灰空心玻璃微珠（80～120μm、A172偶联剂处理）为例，不同含量的性能见表3-23所示。

表3-23 不同含量空心玻璃微珠填充HDPE复合材料的性能

从表3-23中可以看出，随着填料含量的不断提高，拉伸强度一直提高，弯曲强度和冲击强度在含量5%时最高，结晶度在含量15%时最高。

（7）纳米碳酸钙/HDPE/HDPE-g-MAH填充体系配方

HDPE（5000S）：100份；纳米碳酸钙（30～50nm）（钛酸酯偶联剂处理）：10份；HDPE-g-MAH：变量；硬脂酸钙：1份。

性能：见表3-24。

表3-24 不同HDPE-g-MAH含量下复合材料的性能

（三） PVC填充配方实例

填料是PVC常用的添加材料，尤其是在PVC硬制品如板、管及异型材中，加入的目的不仅是降低成本，还有提高刚性的作用。在PVC软制品如电缆料、人造革中，加入填料的目的主要为降低成本，还可改善电绝缘性和加工性。

PVC与大多数填料的相容性能好，对一般制品可不经表面处理直接加入，尤其对工业废渣一般都可直接加入；对于加入大量增塑剂的PVC软制品，增塑剂可起一定的表面处理作用，填料可不用处理。

PVC可选填料范围很广泛，加入量也大。常用的填料有碳酸钙、高岭土、滑石粉、硅灰石、云母、工业废渣及有机填料，碳酸钙最常用。具体在设计配方时，应注意如下几点：

①在PVC硬制品中，重、轻碳酸钙都可用，但在PVC软制品中只能用轻质碳酸钙。

②在PVC地板中，需加入大量的填料，如普通地板可加入150～200份碳酸钙；高级地板还可用滑石粉和硅灰石，但加入量少。

③在PVC电缆料中，一般选用煅烧陶土为首选填料，它可提高电缆料的绝缘性能；其他填料的加入量应控制在10份以下，否则影响电性能。

④在PVC压延制品中，加入适量的超微细滑石粉，可改善其加工润滑性。

⑤在PVC糊制品中，可加入不超过10份的碳酸钙和二氧化硅，太多体系黏度增大，成型困难。

⑥在PVC配方中，特别是糊制品配方中，液体组分较多，一定注意填料的吸液体性，多加入被填料吸入部分。

在PVC中加入不同品种的填料，填充制品的性能不同，具体见表3-25所示。

表3-25 不同品种PVC填充制品的性能

PVC具体填充配方实例如下。

①红泥填充PVC地板配方：

PVC：25%；废机油：4%；DCP：7%；其他：4%；红泥：60%。

②PVC绝缘电缆料配方：

PVC（SG-2）：100份；二盐：2份；DOP：30份；硬脂酸钡：1份；M-50：12份；煅烧陶土：325份；三盐：3份。

③高填充PVC型材配方：

PVC：100份；钡/镉：2.5份；DBP：60份；白垩：50份。

④碳酸钙/硅灰石复合填充PVC配方：

PVC：100份；硅灰石：24份；碳酸钙：16份；加工助剂：适量。

⑤湿磨绢云母填充PVC型材和管材配方：

性能：所有性能超过国家标准20%左右。

⑥PVC电石渣填充材料配方：

PVC：100份；二盐：2份；电石渣（2%KH-590处理）：60份；石蜡：0.5份；三盐：3份。

相关性能：缺口冲击强度11.7kJ/m²，拉伸强度49.2MPa，弯曲强度101.3MPa，断裂伸长率20.1%，邵氏硬度85（D）。

⑦PVC/AT复合材料：AT用硅烷和MMA进行接枝改性，在AT含量15%以前，复合材料的拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲模量等都有明显提高，具体见表3-26所示。

表3-26 AT不同含量时复合材料的性能

（四） ABS和PS填充配方实例

在ABS中填充无机填料如碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、氧化钙等会导致其力学性能大幅度下降，因此很少采用填充改性。如在ABS中加入3%的氧化钙，其冲击强度从40kJ/m²下降到8kJ/m²，下降幅度之大超出想象。各类无机填料的填充对ABS冲击强度的影响见表3-27所示。

表3-27 不同含量无机填料对ABS缺口冲击强度的影响单位：kJ/m²

即使是纳米填料蒙脱土，对ABS冲击强度的影响也是很大，具体见表3-28所示。

表3-28 不同蒙脱土含量对ABS冲击强度的影响

下面举个ABS填充的实例：

ABS：60%～80%；ABS-g-VM：20%；云母或高岭土：0～20%。

具体性能见表3-29和表3-30所示。

表3-29 不同含量滑石粉填充ABS的性能

表3-30 不同含量高岭土填充ABS的性能

从表3-30可以看出，除了冲击强度大幅度下降外，复合材料的弯曲强度、拉伸强度、弯曲模量变化不大。

（五）工程塑料填充配方实例

因对工程塑料制品的性能要求高，所以其填充制品应用不多。工程塑料的填充主要集中在PA类工程塑料中，PC、PET、PBT及PPO很少进行填充，POM的填充以改善耐磨性为目的。即使填充，也用于进行补强填充，以达到改善某种性能的目的。工程塑料常用的填料有：云母、滑石粉、硅灰石、玻璃微珠、稀土及碱金属等。

在PA6中加入云母20%时，拉伸强度提高20%，弯曲强度和热变形温度明显提高。

在MCPA中加入环烷酸稀土，耐磨性提高1倍以上、耐热性提高13℃、拉伸强度提高70%。

具体配方实例如下。

（1）玻璃微珠填充PA6配方

PA6：85%；玻璃微珠：15%。

性能：冲击强度8.2kJ/m²，拉伸强度97MPa。

（2）氟碳铈稀土矿填充PA6配方

PA6：85%；氟碳铈稀土矿：15%。

性能：冲击强度8.5kJ/m²，拉伸强度100MPa。

（3）云母填充PA66配方

PA66：60；云母：40；EBS：0.5。

（4）滑石粉填充、增韧PA6配方

PA6：75%；（ PP+POE）-g-MAH：20%；滑石粉：5%。

（5）PA66填充、增韧、增强配方

PA66：60%；GF：20%；（ PP+POE）-g-MAH：10%；云母：10%。

（6）PA6/AT复合材料

断裂伸长率大幅度下降（由250%下降到20%），拉伸强度和弯曲强度都有小幅度提高，具体举例如下：

PA6：95%；纳米凹凸棒土（十六烷基三甲基溴化铵处理）：5%。

性能：拉伸强度64MPa，弯曲强度102MPa，冲击强度0.16kJ/m²。

（7）凹凸棒黏土填充PC

PC中加入2%AT时，缺口冲击强度比纯PC提高30%左右，拉伸强度也提高10%左右。

（六）热固性塑料填充配方实例

热固性塑料不是靠分子结构的规整排列来增加制品的强度，而是靠加入填料达到改性和增强的目的，所以填料是热固性树脂配方中必不可少的组分，其用量可占50%以上。

与热塑性树脂的填充相比，热固性树脂填充的不同点在于：

①对热固性树脂而言，填充的目的不仅仅是降低成本，更重要的是改善力学、电学和化学性能，填料已成为热固性塑料加工中不可缺少的组成部分。

②与热塑性塑料比，热固性塑料的填充量大，一般可达到50份左右，有时甚至高达100份以上。

③由于热固性树脂本身即为表面处理剂，与填料具有很好的相容性，填料可不经过表面处理直接加入树脂中。

④因热固性树脂对填料的黏接性好，几乎所有材料都可用做其填料，填料的品种多。

⑤一般选用几种填料并用，以达到相互补充的作用。

1.酚醛树脂（PF）的填充配方设计

在PF中加入填料，不仅可降低制品的成本，更主要的是改善其力学、电绝缘性和化学性能。不进行填充的PF制品脆性很大，难以应用，可以说填料为PF制品中必不可少的成分。

PF常用的填料有：木粉、云母粉、石棉、竹粉、核桃壳粉、棉纤维及碳酸钙等。加入填料的不同，其填充制品的性能和用途也不同。

①加入木粉填料：加入量为40%～50%，制品的强度好，电学性能优良，常用于机电配件。

②加入云母填料：制品具有极高的电绝缘性能，可用于电工配件。

③加入石棉填料：制品的耐热性好，拉伸强度高，耐药品性好，可用于电炉、电熨斗等配件。

PF具体填充配方实例如下：

（1）石棉填充PF配方

热塑性PF树脂：100份；六次甲基四胺：12份；石棉：154份；消石灰：11份；木粉：59份；硬脂酸：8份。

（2）木粉填充PF配方

热塑性PF树脂：100份；消石灰：2.4份；木粉：100份；硬脂酸：2.4份；六次甲基四胺：12份；滑石粉：15份。

（3）云母填充PF配方

热固性PF树脂：100份；氧化镁：7.35份；云母粉：175份；硬脂酸：4.4份；六次甲基四胺：7.35份。

（4）复合填充PF配方

热固性PF树脂：100份；滑石粉：12.2份；棉纤维素：11份；氧化镁：1.18份；油酸：4.65份；氧化钙：0.58份。

EP的填充制品为开发最早的典型塑料填充材料。EP的填充同PF一样，填料为制品配方中不可缺少的组成部分。EP含有大量环氧基和醚基，与大多数填充材料都有很好的结合力，可不必进行表面处理而直接填充即可。EP填充的主要目的为：降低成本、增加黏度、降低硬化后的发热温度、降低热膨胀和收缩率、提高黏接性、提高压缩强度和表面硬度、提高耐水性和耐溶剂性。

EP常用的填料为石英粉、云母、石棉、碳酸钙、石粉、石膏及滑石粉等，粒度应在0.1μm以上，以中性或弱碱性填料为宜，酸性或强碱性填料会影响EP的固化，不宜选用。

EP填料的选用与所改善性能关系为：改善冲击强度选用石棉、玻璃纤维、铝粉和云母等，改善压缩强度和硬度选用石英粉和水泥粉等，改善耐热性选用石棉等，改善黏合性选用氧化铝粉和钛白粉等，改善加工性选用石膏和滑石粉等。

EP的具体填充配方如下：

（1）EP人造大理石配方

EP：100份；3，3^∗—二乙基4，4^∗—二氨基二苯甲烷：23份；碳酸钙、石粉、高岭土等填料：120份；环氧丙烷稀释剂：8份。

（2）EP浇铸配方

EP：100份；咪唑固化剂：5份；石英粉（270目）：100份。

（3）EP模压塑料配方

EP：27%；滑石粉：20%；固化剂：2.7%；石粉：48%；固化促进剂：0.3%；硬脂酸锌：2%。

UP对填充材料的黏接力较差，对性能要求高的复合制品需对填料进行表面处理。填料是UP配方中不可缺少的组分，其目的不仅为降低成本，更重要的在于改性。其具体改性目标为：调整体系的黏度、赋予体系以触变性、改善加工性能、降低成型时的热膨胀和成型后的收缩率、提高拉伸强度和弯曲强度、抑制成型时发热和防止龟裂等。

UP常用的填料有：碳酸钙、滑石粉、云母粉、玻璃粉、三氧化二铝、石粉、石英粉、高岭土、硫酸钡、石棉及木粉等。UP为重要的人造大理石、人造玛瑙基料，其中的填料（骨料）最好为多种填料复合使用。

UP的具体填充配方实例如下：

（1）UP人造大理石填充配方

UP（黏度为0.2～0.7Pa·s）：100份；二甲基苯胺：1～4份；BPO：2～4份；骨料（氢氧化铝）：400～800份。

注：其他骨料为碳酸钙、滑石粉、石英砂、三氧化二铝、木粉等。

（2）UP人造玛瑙填充配方

UP（黏度为0.2～0.7Pa·s）：100份；萘酸钴：1～4份；过氧化甲乙酮：2～4份；骨料：300份。

（3）UP片状模塑料（SMC）填充配方

UP：100份；硬脂酸锌：3份；碳酸钙：100份；氧化镁：1.5份；短切玻璃纤维：30份；DCP：1份。

AF树脂的成型配方中填料不是必不可少的组分，但它在改善制品性能方面尤为重要。AF最常用的填料为α-纤维素，除此之外还可用木粉、玻璃粉、石棉粉、纸浆、棉绒、碳酸钙、滑石粉、云母粉和石英粉等。

AF具体填充配方实例如下：

（1）纤维素填充AF配方

三聚氰胺甲醛树脂：100份；硬脂酸锌：1份；α—纤维素：70份。

（2）AF模塑粉填充配方

三聚氰胺甲醛树脂：100份；硬脂酸：0.42份；棉绒：30.2份。

有机硅树脂与其他热固性树脂不同，其SI本身的性能很好，如具有优良的耐热性、介电性、耐水性、耐腐蚀性和耐寒性等。SI可单独加工成制品，填充的目的为降低成本，并可适当改善某方面的性能。但SI树脂与各类填料的黏接力比较差，制成的填充制品强度不高。为此，如SI树脂必须填充，在加入前要对填料进行表面处理，以提高复合强度。

SI的填充常用于其模压塑料中，具体填料可用石棉、石英粉、碳酸钙等。

具体SI模压塑料填充配方如下：

218甲基硅树脂：100份；石英粉：47～62.6份；石棉：110～133份；硼酸：2.5～3份。

（七）其他塑料填充配方实例

（1）纳米Al₂O₃填充F4

F4：90%；纳米Al₂O₃：10%。

摩擦、耐磨性均佳。

（2）复合填充F4密封圈

F4：72%；玻璃纤维：8%；二硫化钼：10%；胶体石墨：3%；青铜粉：7%。