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矿物纤维在高分子聚合物中的应用 |
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本文所述的矿物纤维是指硅灰石。硅灰石是天然的硅酸钙（CaSiO3），呈浅白色针状结构，是一种无毒、无味、耐高温、热膨胀系数小的惰性纤维状矿物材料，可用于塑料的增强改性，在高分子聚合物中硅灰石的矿产资源、价格成本、性能指标、应用工艺均有明显的优势。
近年来随着市场及技术应用的需要，越来越多的无机矿物被添加到高分子聚合物中，以改善高分子聚合物的某些性能，并在一定程度降低生产成本。无机矿物粉体因其粒子形状不同，其应用特点也不尽相同。我们经过多年的试验、研究和应用，将针状结构的硅灰石在特殊设备加工后，使其保持较大的长径比，在PA、PP、PE、PVC、ABS、PS、PC等多种树脂中添加不同比例后，塑料制品的各项物理性能和耐热稳定性均有明显的改善。在板材、片材、管材、中空制品、注塑制品及各种零部件中得到推广应用，可提高塑料制品的拉伸强度、弯曲强度和热变形温度，降低模塑收缩率和塑料制品翘曲变形，降低生产成本等，得到了业界的认可。
图1 硅灰石矿石图
硅灰石的物理性能
硅灰石属天然的白色硅酸钙，化学式CaSiO3，比重2.9g/cm3，莫氏硬度4.5，折射率1.63，化学成分见表1。表1 硅灰石的化学成分
 采用独特的加工工艺，使硅灰石保持较好的短纤维状结构，长径比达15:1~20:1，被人们称为优良的天然矿物纤维，应用在某些领域可替代玻纤。
由于硅灰石呈针状结构，比表面积大，在塑料中应用时，流动性较差，微细粒子极易团聚，要求硅灰石的粒度分布要窄，过大和过小的粒径都应尽量少，才能达到塑料改性的目的。
硅灰石在塑料制品中的应用特点
▲ 我们将硅灰石与PA6、PP等树脂在不同添加量时作了大量应用试验，有关数据见表2、表3。表2 硅灰石在PA6中应用的检测指标（典型值）
 表3 硅灰石在PP中应用的检测指标（典型值）
 ▲ 从表2、表3和国内外客户应用中得知，硅灰石具有以下优异性能和特点：
△ 显著提高高分子聚合物的弯曲强度和弯曲模量在PA6中加入矿纤后，可提高弯曲强度，随着添加量的增加，弯曲强度明显提高。这就体现出来矿纤的针状结构和刚性特点，在片材、板材、薄膜、大型管材、中空制品、滚塑制品等产品中会有明显的产品技术优势。
从试验数据中看出，加入矿纤后，弯曲模量也会有大幅度的提高，当在PA6和PP中加入40%矿纤时，弯曲模量提高约一倍。
△ 提高拉伸强度 在PA6中随着加入量的增加，拉伸强度在增加，在加入20%～30%时，会保持在一个高的水平线上，目数越细，拉伸强度越好。
在PP中当加入量在10%左右时，拉伸强度与纯树脂接近，随着添加量提高，拉伸强度呈下降趋势，在PP中矿纤粒度的变化对拉伸强度的影响不是特别明显，这有待进一步试验验证。
△ 提高热变形温度 塑料制品的耐热性差是制约塑料应用的重要原因。在工程塑料、通用塑料、特种塑料中可适当添加矿纤提高塑料的耐热温度。在不同的塑料制品中，如各类灯具、耐热零部件、电线、电缆、片材、薄膜、管材等，随着矿纤的加入量增加，耐热性提高，当加入40%矿纤时，耐热温度可提高近一倍。
△ 改善耐刮擦性和耐摩擦性 矿纤的硬度明显高于塑料，耐热性又是矿纤的优势，在高分子聚合物中加入适量的矿纤，可提高塑料制品的耐刮擦性和耐摩擦性，应用在流动物体的输送管道、器皿和物体之间互相摩擦的零部件方面，具有较好的耐刮擦性和耐摩擦性。
△ 提高尺寸稳定性，有效地减少材料的收缩率及制品翘曲变形 塑料制品的收缩率是影响塑料精密件的重要加工因素，如PA、PP的收缩率在1～2%左右，而加入矿纤后，可明显降低收缩率，提高生产效率。在精密注塑零部件和大型塑料制品制造加工过程中加入适量的矿纤，可有效地保持塑料制品的尺寸稳定性，还可缩短加工冷却周期，会有特殊的应用效果和意义。
△ 优异的加工稳定性和生产成型性能 无机材料粘度低，加工稳定性好，在高分子聚合物中加入一定量的无机材料，可有效降低加工粘度，改善生产工艺的稳定性，并且有益制品的成型性。
△ 改善塑料制品的外观 塑料制品在高温、高压、高剪切等条件下加工生产，当物料脱离模具、模腔后，温度会大幅下降，制品应力难以在短时间内释放。特别是在板材、片材和大型塑料制品生产时，会出现明显的凸凹收缩缺陷，还会产生翘曲、弯曲等现象，而在加入矿纤后，可有效地解决这些问题。
△ 改善吸水性能 在PA中加入矿纤后可避免因制品吸水而导致弯曲强度及弯曲模量下降的缺点。由于硅灰石的性能稳定，吸水率低，在易吸水而影响产品质量的树脂中添加适量的矿纤后，可缩短树脂的干燥时间，还能有效地改善塑料因吸水率过高致使产品的物理性能下降、外观表面粗糙等现象。
△ 降低塑料制品生产成本 矿物纤维（硅灰石）来源丰富，价格优势明显，硅灰石在改善塑料制品性能的同时，可有效地降低生产成本，为生产企业带来明显的经济效益。
矿物纤维的应用技术
▲ 矿物纤维的微观为针状结构，为保证其针状结构不被破坏尽量使用侧喂料。
▲ 矿物纤维的添加比例高于30%时，可使用分步喂料，一小部分在主喂料口添加，另一部分在侧喂料添加。
▲ 界面相容就是无机粉体经过活化改性后，形成均匀地有机包覆层，能够在温度、压力等作用下与有机材料有很好的相容性。无机粉体表面改性的效果是决定界面相容的重要决定因素。
为保证矿物纤维在高分子聚合物中相容性好，分散均匀，应采用表面活化包覆改性技术，将其微细的矿物纤维粒子用偶联剂进行包覆，偶联剂根据用户的需要可选用硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂等。采用表面活化改性工艺，加入适量的助剂，在一定的温度、压力、摩擦、时间等作用下，使亲水性无机粉体转换为亲油性材料，无机粉体与有机材料可“亲密”地成为牢固地结合体。
经过活化处理后的无机粉体表面均匀地包覆与树脂性能相近的亲油性助剂，在与树脂共混过程中，改善不同物料界面相容性，提高产品的性能。活化效果试验可采用约60℃的水在透明杯中浸泡活化后的无机粉体，并轻轻均匀地搅拌，观察粉体是否呈絮棉状漂浮在水面，浸泡时间越长，水液越清澈无浑浊沉淀物，证明表面活化处理效果越好，助剂在粉体表面的牢固度越高。
▲ 塑料对水分及易挥发物的含量要求特别高。国家行业标准对水分及易挥发物的指标要求≤0.5%。而在实际生产应用中，水分及易挥发物在≥0.3%时，就会影响塑料加工和制品质量。
水分及易挥发物在塑料加工时会因在高温、摩擦等因素的影响下形成气体，影响不同材料的相容性，有时还会造成微细粉体的二次团聚。
水分及易挥发物在塑料加工时形成的气体，会在机械输送过程中往复运动。在冷却后，会对塑料制品产生鲨鱼皮细纹、气泡、不规则裂纹，影响产品的外观和物理性能。
▲硅灰石的比表面积大，在加工中极易摩擦产生静电，使针状颗粒凝聚结团，易造成过滤网堵塞，机头压力增大，还会在制品中形成微小的团聚点，影响产品的分散效果。
静电的消除工艺可采取静置存放静电消除工艺，技术简便可行，成本低廉。在水分干燥后放料，存放在干燥通风的位置，静置存放20h备用，能有效地消除静电。表4 硅烷处理填料和填料用量对PA66复合材料物理性能的影响
 结语
矿物纤维的价格远远低于高分子聚合物的价格，而且可以高比例添加到高分子聚合物中，从而大幅降低生产成本，给企业带来可观的经济效益。
高分子聚合物多为石油裂解的产物，而矿物纤维在塑料中的广泛应用，可节约大量的合成树脂，使有限的石油资源得到充分利用；而且因为添加矿物纤维的塑料可循环再使用，具有明显的生态效益。
矿物纤维可明显改善高分子聚合物的物理性能，扩大塑料制品的应用领域，矿物纤维与高分子聚合物的共混应用是跨学科跨行业的新兴技术和材料的“联姻”，矿物纤维的独特结构与性能赋于高分子聚合物更优良的性能。不同材料的多元复合综合应用，达到了1+1＞2的效果，给不同行业和产品带来了前所未有的发展契机和广阔的应用前景。(end)
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(4/21/2015) |
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