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塑料工业常用的矿物粉体材料有哪些?有什么指标要求?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-02-22  浏览次数:74
核心提示:矿物粉体材料是塑料加工行业中使用的量大面广、不可或缺的原材料,对提高塑料材料性能价格比、扩展功能性应用、节约资源和能源、环境保护作用等方面起着至关重要的作用。
      矿物粉体材料是塑料加工行业中使用的量大面广、不可或缺的原材料,对提高塑料材料性能价格比、扩展功能性应用、节约资源和能源、环境保护作用等方面起着至关重要的作用。


1、矿物粉体材料对塑料工业意味着什么?
 
(1)节省石油资源和能源
 
用相对供应丰富的矿物粉体材料部分代替以石油为主要原料的合成树脂,每年可减少数百万吨合成树脂的使用,为国家节省石油资源。
相对合成树脂产品从石油勘探、开采、运输、裂解、合成整个过程所需的能源消耗,各种矿物粉体的生产要简单得多,1吨产品的投资和能耗仅及合成树脂的数十分之一,能源的节省更为明显。
 
(2)降低原材料成本,提高塑料制品的市场竞争力
 
几乎所有矿物粉体材料的价格都低于合成树脂,在满足填充塑料制品使用性能的前提下,可显著降低塑料制品原材料的成本。在一般塑料制品的成本中,原材料成本占到50%-70%,原材料成本的降低意味着塑料制品总成本的下降,市场竞争力的提高。
 
(3)改善、提高塑料材料的某些性能
 
矿物粉体材料填充改性塑料不仅可以起到增量、降低成本的作用,而且对于所填充的基体塑料有显著的改性作用。我们可以在刚性、韧性和强度三个方面加以选择,在保持填充塑料整体性能良好的前提下,使某方面的性能按预期的方向得到改善、提高。
 
(4)赋予塑料材料新的功能
 
研究表明,滑石、高岭土和云母粉都可以提高塑料薄膜的红外线阻隔性,使农用大棚膜的保温性更佳。沉淀硫酸钡可赋予聚丙烯塑料表面高光泽度,硅灰石粉有利于提高塑料材料表面硬度,水镁石兼具填充、阻燃、消烟三大功能。
 
(5)矿物粉体材料具有环保性
 
废旧塑料制品难以降解,给景观和生态环境带来危害。近年来碳酸钙等无机粉体材料在制造环境友好塑料材料方面的研究成果表明,科学、合理地使用碳酸钙等粉体材料是目前减轻“白色污染”,使不易回收的包装袋、膜等塑料材料安全重返大自然的重要举措。
无论是塑料制品的总量迅速增加,还是在新的应用领域开拓进展,矿物粉体材料在塑料中应用的前景都非常远大,而且无论对塑料产业本身的发展,还是对建设创新型、节约型社会,实现国民经济可持续发展都将发挥重要的,不可替代的作用。
 
2、塑料工业常用的矿物粉体材料有哪些?
 
塑料工业常用的矿物粉体材料有碳酸钙(重钙、轻钙、纳米钙)、滑石、高岭土、硅灰石、水镁石粉、云母粉等诸多品种,以填充增量为主要目的,一般可用到几十到几百phr(以基体树脂为100份时,填充材料的质量份数),以改善性能和降低成本为目的,一般可用到十几份到几十份。
 

▼矿物粉体材料的品种、添加比例和作用
塑料工业 矿物粉体 材料 指标

 
(1)碳酸钙
 
碳酸钙是塑料中使用的粉体材料中最重要的一类,年用量700多万吨,占塑料粉体材料用量的70%。碳酸钙作为填料使用较之其他粉体材料具有的优势为:
 
①价格低廉;
②无毒、无味、无刺激性;
③色白,易着色,对其他颜色干扰小;
④硬度低,对加工设备及模具的磨损轻;
⑤化学稳定性好,与大多数基体塑料不发生化学反应,也不会使基体塑料的大分子降解或交联;
⑥热稳定性好,热分解温度在800℃以上;
⑦易干燥,无结晶水,水分易除去。
 
(2)滑石
 
滑石是塑料使用的仅次于碳酸钙的第二大类矿物粉体材料,每年用量上百万吨。利用滑石颗粒的片状结构可以提高基体塑料的刚性和耐热性,因此从这一目的出发对滑石的要求即在达到较小粒径的同时,应具有较大的径厚比。
滑石和云母、高岭土等含硅元素的矿物粉末对红外光有阻隔作用,可以用来做农用塑料棚膜的保温剂。滑石的阻隔效果最差,但价格最低且使用方便,仍是使用的主流。对于这种用途的滑石不要求有大的长径比,只要求粒径小和色泽好即可。
近年来滑石大量被用于聚乙烯塑料薄膜,主要原因是滑石的折光率与聚乙烯基体塑料较为接近,使用滑石为填料,较之重钙等填料,可以使聚乙烯薄膜有更好的透光性。
 
(3)高岭土
 
由于价格的原因和使用不很方便,煅烧高岭土仅用于提高基体塑料的电绝缘强度。近年来发现高岭土对红外线阻隔作用显著,可以在农用塑料棚膜中作为保温剂使用。
高岭土填充塑料,可以在不显著降低延伸率和冲击强度的情况下,提高玻璃化温度较低的热塑性塑料的拉伸强度和模量。高岭土加入到聚丙烯中还可以起到成核剂作用,可使聚丙烯的结晶数量增多,晶粒尺寸减小,从而提高刚性和强度。
 
(4)云母
 
云母主要用于提高塑料制品的刚性和耐热性,加工过程中必须妥善保持其片状颗粒的高径厚比,否则不易达到增强的效果。云母的透光性使得它在农用塑料薄膜中的应用成为可能。在几种同样具有散光和阻隔红外线功能的无机填料中,填加云母的薄膜在透光率降低微小的情况下可大大提高散光率,同时对7-25nm波长的红外线的阻隔作用最好。
 
(5)硅灰石
 
在塑料基体中分散状态良好的针状硅灰石有助于提高基体塑料的拉伸强度和挠曲强度。硅灰石还有助于提高填充塑料的耐水性,可以改进在潮湿环境下使用的尼龙制品的吸水性,尼龙吸水后将导致强度和模量的明显下降。
 
(6)镁、铝氢氧化物
 
氢氧化镁和氢氧化铝加入到塑料中可兼具填充、阻燃、消烟三大功能,是当前研制生产低烟无卤阻燃塑料首选的阻燃材料。
 
(7)蒙脱石
 
蒙脱石是一种层状硅酸盐矿物,由于能够用来制作纳米塑料,近年来得到各界高度重视。例如含有4.2%蒙脱石的尼龙6,较之纯尼龙6拉伸强度提高50%,模量提高一倍,热变形温度提高近90℃,同时透明度提高,吸水性下降,而材料的抗冲击性能基本不变。这是因为蒙脱土的片层以纳米尺度均匀分散在尼龙6基体中成为剥离型复合材料,即形成了真正意义上的纳米塑料。
 
3、塑料工业对矿物粉体材料性能有哪些要求?
 
塑料工业对矿物粉体材料的总体要求为:

①价格适当;
②杂质及有害成分尽可能地少;
③硬度尽可能低;
④使用简单、方便;
⑤突出粉体材料的功能性。
 
(1)几何特征
 
通常粉体材料作为填料使用。颗粒的形状并不十分规则,但对塑料的性能来说,填料颗粒的几何形状对填充体系的物理机械性能有着重要的影响,因此粉体材料的颗粒形状是使用时首先需要预以关注的。
 
(2)粒径
 
填充改性技术重要一点是将粉体颗粒均匀地、尽可能一个一个地分散到塑料基体中,如同大海中的大大小小的岛屿,称之为海岛结构。一般填料颗粒的粒径越小、分散越均匀,则填充体系的力学性能越好;但粒径越小,加工成本越高,实现其均匀分散越困难。因此了解粉体颗粒的粒径大小及其分布,根据实际需要加以选择非常重要。
 
(3)比表面积
 
比表面积的大小对填料与树脂之间的亲合性、填料表面活化处理的难易与成本都有直接关系。
 
(4)表面自由能
 
填料颗粒表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易,当比表面积一定时,表面自由能大,颗粒相互之间越容易凝聚,越不易分散。在填料表面处理时,降低其表面自由能是主要目标之一。
 
(5)密度
 
填料的表观密度与填料颗粒堆砌状态有关。在塑料填充改性领域真正影响填充体系整体密度的是填料单个颗粒的密度以及它们在塑料基体中的存在形式,如是否凝聚在一起,以及和基体塑料分子之间有无空隙等。
 
(6)吸油值
 
单位质量的填料能够吸收增塑剂二辛酯(DOP)的量称之为吸油值。
 
(7)硬度
 
填料颗粒本身的硬度具有双重性,一方面硬度高的填料可以使填充塑料材料的耐磨性提高,另一方面由于加入了填料,尤其是硬度高的填料,填充体系在加工过程中容易对物料所接触的加工设备与模具的表面造成磨损。
 
(8)白度
 
填料的白度高低对所填充塑料材料及制品的色泽乃至外观致关重要。
 
(9)折射率
 
当粉体填料的折射率与塑料基体的折射率相同或相近时,填充塑料对光的遮盖性影响较小,反之填充塑料对光的遮盖作用就强。
 
(10)光线的吸收和反射
 
紫外线可使聚合物的大分子发生降解。在农用大棚膜中使用云母、高岭土、滑石等填料,可以吸收和反射红外线,降低红外线的透过率,提高农用大棚膜的保温效果。
 
(11)热性能
 
填充塑料加工大多都涉及加热、熔融、冷却定型等过程,填料本身的热性能及其与塑料基体之间的差别会对加工过程产生影响。
 
(12)电性能
 
金属是电的良导体,因此金属粉末作为填料使用可影响填充塑料的电性能。非金属矿物制成的填料都是电的绝缘体,从理论上说不会对塑料基体的电性能带来影响。填料在粉碎和研磨过程中,由于价键的断裂,有可能带上静电,形成相互吸附的聚集体,在制作细度极高的微细填料时更容易发生。
 
(13)磁性能
 
具有磁性的粉末物质可用来制作磁性塑料。
 
(14)热化学效应
 
高分子聚合物容易燃烧,大多数填料由于本身的不燃性,可以起到减少可燃物浓度、延缓基体燃烧的作用。
 
4、矿物粉体材料在塑料中应用的技术创新及发展趋势
 
矿物粉体材料在塑料中应用的实践表明,应用技术的创新是矿物粉体材料得以广泛深入应用的关键,也必将是继续扩大应用领域和发挥更大作用的必由之路。
 
(1)矿物粉体表面处理技术及相应处理剂的创新
 
粉体颗粒化学组成的多样性和表面性质的复杂性决定了表面处理技术及助剂不可能是唯一的、以不变应万变的,必须加强表面改性技术和改性剂的创新发展,方能更好的将矿物粉体材料应用于塑料工业。
 
(2)核壳结构微纳米复合技术
 
以相对低廉的无机粉体材料为核,将功能助剂以分子形式沉积在粉体颗粒的表面,不仅有助于助剂的分布和分散,而且不影响其功能性,从而可以获得更高的性价比,有时还会基于刚性粒子增韧理论,获得更佳的协同效果。
多数塑料材料兼具高的表面电阻率和低的介电常数,因而在其表面极易积聚电荷,即静电。静电引起的问题小则是吸尘、带相同电荷的物体相互排斥,大则放电引起电击,甚至导致火灾或爆炸。将不导电的非金属矿物粉体表面上沉积一层具有一定导电性的物质制成浅色导电填料应成为解决塑料材料抗静电的新思路。
 
(3)填充塑料材料的轻量化
 
非金属矿物的真密度比合成树脂通常大2-3倍,如果在管材、型材特别是注塑制品加工时使用填料又不增大其密度或增加的幅度在可以接受的范围内,那么塑料中使用矿物填料的机会大大增加。
 
(4)光钙型环境友好型塑料
 
已往的塑料材料主要通过追求完美的使用性能而不考虑或较少考虑使用后在自然环境中的可消纳性,造成环境的“白色污染”。在新世纪中,实行绿色生产、绿色消费,重视产品生产、使用过程中、使用后这三个阶段与环境的可协调性,称之为环境友好材料。
 
(5)透明型填充母料
 
以矿物粉体为主要原料制成的,能够使塑料保持良好透光性的填充母料称之为透明型填充母料。如何在保持塑料材料较好透光性的同时还能具有良好的力学性能,避免或减轻诸如设备磨损、腐蚀和制品表面出现粉垢等负面影响,是透明型填充母粒的难点。
在塑料中更多、更好地应用矿物粉体材料,不仅是成本利润的驱动,更应该提升到在科学发展观指引下,实现可持续发展,建设资源节约型和环境友好型社会的目标上来。唯有加紧科研开发和成果转化的步伐,加强不同行业之间的了解与合作,才能不断开创矿物粉体材料在塑料中应用蓬勃发展的新局面。

 


 

来源:粉体技术网

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