填充剂

　　填充剂(英文名称filler)又名填料、填加剂、填充物(additive;addition agent;stuffing bulking agent)。加入物料中可以改善物料性能，或能增容、增重，降低物料的成本的固体物质。通常不含水、中性、不与物料组分起不良作用的有机物、无机物、金属或非金属粉末等均可作为填充剂。常用的工业填充剂有高岭土、硅藻土、滑石粉、石墨、炭黑、氧化铝粉、玻璃粉、石棉粉、云母粉、石英粉、碳纤维、粉末状软木、金刚砂等。在化工生产的塑料加工、橡胶加工、纸张、涂料、农药、医药等产品中大量使用各种填充剂，不但改善了这些产品的性能，也大大降低了生产成本。

　　(1)基本特性要求：填充剂的基本特性是指其在应用中对被填充物和填充物构成的复合体性能影响最大的，起主导作用的特性。

　　A 颗粒的形状特征和大小:颗粒的是填充剂的基本单元，颗粒的形状、大小是颗粒的基本参数。颗粒的形状有球形、立方体、块状、片状、纤维状等，通过当量球径来定义粒径的大小;

　　B 颗粒大小分布：填充物本身是颗粒的聚集体，不可能是大小均一颗粒的聚集，通过筛析来分级，去除一些级分。颗粒大小分布是填充物的重要性质，一般通过颗粒分布曲线表示，它直接影响其流变性、耐磨性、颗粒堆砌等特性;

　　C 颗粒的比表面积和表面自由能：比表面积是单位质量填充物的表面积，以m/g表示。其值大表示填充物提供的接触面大，涉及填充物吸附能力和化学反应能力，表明接触的机会就多;表面自由能是指固体填充物颗粒在液体物料中分散。或者液体浸润填充物颗粒，在接触面上必须克服由于各自的分子间的内聚力大于两个不同组分之间的吸引力的能量堡垒。其值大小和填充物比表面积和组成有关，直接影响填充物在高分子物料中的分散程度;

　　D 颗粒的堆砌密度：是指一定质量填充物所占的体积，它直接影响被填充物的质量和效能;

　　E 填充物的化学组成：代表填充物的化学结构，组分相同的两种填充物，填充后显示的性能不同，这表明填充物的化学组成不能完全代表其性能，其他诸如颗粒大小、颗粒分布等性能，对填充效果也有重要影响。

　　(2)填充物的功能特性：填充物有许多特殊的功能，表现在：

　　A 光学性质：光反射性，填充物具有好的光反射性，可以使被填充物色泽鲜亮、美观大方。荧光填充物可以在光线暗处显示标识，利用折射率的不同可以增强或减弱光照;

　　B 热学性能：包括填充物的导热性、比热容、热膨胀性、热稳定性等直接影响被填充的热学性能好坏;

　　C 电学性能：填充物理论导电性能和实际导电性能存在差异，这是由于填充物表面含有氢氧基、表面吸附自由离子、变价金属化合物杂质等原因造成，在使用时要考虑这些因素对被填充物性能的影响。

　　填充物种类和品种繁多，主要有以下几类：

　　(1)碳酸钙类：碳酸钙是最普通和最廉价的填充物，不同来原和性能的碳酸钙如下：

　　A 普通碳酸钙(白垩)：白色晶体或粉末，比重2.70-2.95，溶于酸而难溶于水。加热到825℃分解为氧化钙和二氧化碳。

　　天然产的碳酸钙矿物有石灰石、方解石、白灭、大田石等，将它们磨成粉后叫为普通碳酸钙。它们又有干解与湿磨之别，粒径在1.5-44微米之间，干磨者粒度大于20微米而湿磨者小于20微米。

　　B 沉淀碳酸钙：用二氧化碳通入石灰水或碳酸钠溶液与石灰水发生沉淀作用生成的粉状碳酸钙，一般分为：

　　轻质沉淀碳酸钙：比重2.50-2.60

　　重质沉淀碳酸钙：比重2.70-2.80

　　沉淀碳酸钙粒径为1.0-16微米， 比表面积为5-25 m/克，折光率1.49，pH值10左右，不溶于水和醇，遇酸放出二氧化碳;有轻微吸湿性。

　　C 活性轻质碳酸钙：这是一种粒子表面吸附一层脂肪酸皂的轻质碳酸钙，无味无嗅的白色粉末，比重1.99-2.01。水分在0.5%以下，硬脂酸含量2-5%，粒径小于0.1微米，比表面积25-28m/克，折光率1.49。不溶于水和醇，遇酸分解放出二氧化碳，在空气中放置无化学变化，只有轻微吸湿能力。活性比普通碳酸钙大，略具有增强作用。

　　(2)炭黑类：这类填充剂包括各种炭黑。炭黑是以液体或气体碳氢化合物为原料，在空气不足的条件下经部分燃烧或热分解所生成的产物。炭黑的元素组成主要是碳，只含有少数氢和氧，是具有“准石墨晶体”构造和胶体粒径范围的黑色粉状物质。因生产技术不同，炭黑可分成多种品级，但塑料工业中常使用的有以下两种：

　　A 天然气槽黑：黑色粉状物质，表面比较粗糙，在空气中易吸潮。平均粒径23-30毫微米，比表面积130-160m/克。

　　B 混气槽黑：这是一种用煤焦油中的蒽油、萘油等气化后和天然气混合为原料制成的炭黑。

　　所谓炭黑的“结构”是指炭黑聚集成串排列的趋向，这种“结构”对炭黑—聚合物系统的流变性能起重要的作用。“高结构”炭黑促进聚合物高粘度、高弹性模量、低流动速率和光滑的低溶胀挤出，炭黑加入聚合物中既有保护光降解和抗热氧化作用，又能提高塑料制品的刚性。

　　(3)纤维素类

　　A 碎纸：可用牛皮纸、白纸、着色纸等度纸为填充剂。一般是将纸张浸泡于树脂中，干燥后切片，然后以此为材料压制成板材。

　　B 木粉：广泛用于热固性树脂，抗冲强度高、收缩性小、电性能好、价廉。木粉粒子以大小均匀为好，木片、树皮等大颗粒应除去。

　　C 棉屑：棉屑是由棉布剪裁或棉纺净化对所获得，填充棉屑的塑料制品抗冲性能有改善，而且体积大。

　　D α-纤维素：α-纤维素是一种无色纤维素，为木浆经碱处理后的产物。主要用于浅色脲醛及三聚氰胺甲醛树脂配方中。用α-纤维素作填充剂的制品其抗冲强度没有木粉作填充剂的制品好，硬度较高、不影响比重，而成型收缩率低。

　　E 花生壳：花生壳是含酚量很高的、来源丰富的廉价填充剂。花生壳粉可以适当改进HDPE、PS、PP的性能并降低成本。花生壳粉表面大体上无极性特征。其吸水性也较木粉小。

　　F 胡桃壳：胡桃粉是加工胡桃时产生的废料，由于含有大量木质树脂和角质蜡，所以它是不吸水的。

　　G 玻璃纤维;主要用于塑料增强。

　　(4)硅酸盐类

　　A 石棉：白色至灰白色纤维状物质。化学性质稳定，耐碱性强、耐酸性差，绝电、绝热性能好。在塑料工业中，石棉一般指温石棉。温石棉纤维长度不一，天然产品长度约1英寸，直径0.025-0.035微米，工业应用时需磨短。纤维有细软丝状和粗糙状之分。粗糙状纤维不可弯曲、研磨时容易折断;而细软丝状则可弯曲，不易折断，但强度大，在塑料工业中的应用也较广泛。

　　B 陶土：陶土的主要成分为高岭土，用于聚酯和环氧树脂方面有耐磨及吸水性低的优点。经600℃煅烧后称为煅烧陶土，经研磨成细粉末后可用作聚氯乙烯填充剂，并可改善塑料的电绝缘性能。煅烧陶土质硬难以磨细，所以加入煅烧陶土的制品表面光滑度不及加入碳酸钙的好。陶土煅烧温度如超过1000℃，则质更硬，很难细磨，电绝缘性能反而降低，故不宜作塑料的填充剂。

　　陶土有吸湿性，所以要注意贮藏条件，避免受潮。陶土的吸增塑剂量大于碳酸钙。

　　C 云母：这是云母族矿物的总称，是复杂的硅酸盐类，单斜晶系，晶体常成假六方片状。集合体是鳞片状，有玻璃光泽。解理平行底轴面极完全。薄片具有弹性，种类很多，在塑料工业中广泛使用的有以下几种：

　　白云母:白色、淡黄色、谈棕色或筋红色，薄片透明，比重2.76-3.1，硬度2.0-2.5

　　黑云母:黑色、深棕色或深绿色，比重2.8-3.2，硬度2.5-3.0。

　　金云母:金云母也称镁云母，黄色至深棕色。云母具有优良的耐热、耐酸碱性和电气绝线性。云母粉也易与树脂混合。

　　D 滑石:白色或淡黄色，单斜晶，常成片状、鳞片状或致密块状集合体。玻璃光泽，片状解理极完全。滑石有滑腻感，极软，化学性质不活泼，耐火性和电绝缘性均良好。

　　E 硅酸钙(硅灰石):硅酸钙也可称为硅灰石，用于提高热固性树脂、PVC、聚烯烃、尼龙和环氧树脂的耐化学、耐湿性能，降低成型收缩率，并有优良的尺寸稳定性、韧性、硬度、电和热的绝缘性。

　　F 中空微球：中空微球可由熔体喷射法、直接加热发泡法、发泡剂发泡法、芯材分解法、加热炭化法、烟囱灰回收法等多种方法制成。

　　(5)二氧化硅类:

　　A 硅藻土：硅藻土是由硅藻的硅质细胞壁组成的一种生物化学沉积岩。浅黄色或浅灰色。质软，多孔而轻，易磨成粉末，能强吸水性，溶于强碱溶液，是绝热、声、电的材料。

　　B 石英：石英是分布很广的一种造岩，三方晶系。常成六方柱和六方双锥形晶体，并成晶簇和晶洞。透明、半透明或不透明。无解理、贝壳断口。晶面有玻璃光泽。断口是类似脂肪光泽的玻璃光泽。塑料工业中作填充剂用的一般是石英粉。

　　C 硅石：硅石在自然界中分布很广，呈白色或无色，硅石的耐热、耐化学品性能很好，热膨胀系数低电绝缘性能好。

　　D 白炭黑(也称胶体二氧化硅、水合二氧化硅，气相二氧化硅)。白色无定形细微粉末，折光率1.46，粒径及含水量随制法不同而异。白发黑绝缘性好，不溶于水和酸、溶于苛性碱及氢氟酸，受高温不分解，吸水性强，在空气中易潮解，性能与炭黑类似，但呈白色，在空气中吸收水分后成为聚集的细粒子。

　　(6)金属氧化物

　　A 二氧化钛(又名钛白粉):金红石和钛铁矿是生产二氧化钛的二种最主要的天然矿物。在塑料工业中应用的以金红石为主，将它与氯气反应生成四氯化钛，然后水解即可得纯二氧化钛。

　　用于塑料的二氧化钛应是有良好耐光性的白色粉末，虽然在塑料，特别是在聚氯乙烯配方中，二氧化钛的应用在百份树脂中可达50份，但严格地况，它一般不作为填充剂用而把它看成是一种万能的白色颜料。

　　此外，如氧化锌、三氧化二锑也是白色粉状料，与二氧化钛一样也是一种具有填充剂作用的白色颜料。

　　B 金属粉:为了使塑料有金属的色泽，增加导电、导热性和提高刚性、硬度、耐热性等，往往在塑料中添加不同量的各类金属粉末。

　　(7)无规聚丙烯(简称APP)

　　丙烯采用齐格勒—那塔催化剂聚合时，可以获得95%左右的高等规度，但毕竟还有5%的无规聚丙烯存在，它们是粘稠物，没有什么机械强度和耐热性，因此曾作为聚丙烯生产厂的累赘。但是经研究发现这种无规聚丙烯中混入一定量的碳酸钙制成的APP填充母料在聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯的加工中都能起很好的作用，添加量一般可达20%左右。这不仅对无规聚丙烯是变废为宝的出路，而且提高了被填充塑料的塑性、韧性和弹性，又降低丁生产成本。用APP填充母料作填充剂的聚丙烯可以用来生产打包带、撕裂薄膜、扁丝、编织袋、周转箱、中空容器等。

　　填充剂的应用：

　　填充剂应用领域广泛，对被填充物料的性能影响大，由填充剂构成的复合材料应用广泛，主要的应用如下：

　　(1)橡胶用填充剂：无论天然橡胶，还是合成橡胶，大多橡胶加工制品中填充剂的加入量占其总重量的10~50%，应用的品种几乎概括了所有填充剂品种，采用的加入方法主要是混炼。根据对橡胶制品磨耗、伸长率、硬度拉伸强度、永久变形、撕裂强度、会弹性等要求的不同选用不同的添加剂及加入量，改善其性能及经济性;

　　(2)塑料用填充剂:可以将塑料用填充剂分为两类，其一是增量填充剂，其二是增强填充剂。前者的作用主要是降低成本，但用于填充剂的加入，是热塑性塑料的密度、硬度、弹性模量、力学性能对温度的依赖性也发生改变。增强填充剂的应用 ，除了降低成本之外，主要作用是提高了塑料的强伸性能及冲击强度，因此合理选择增量填充剂和增强填充剂品种和用量及匹配能产生双重的效果;

　　(3)造纸用填充剂：在造纸工业中为了提高纸张质量和降低成本，要在纸浆中加入基本不溶于水的填充剂，从而改进纸张的印刷性能、柔韧性、强度等，加入量1~40%，主要品种是碳酸钙等;

　　(4)涂料用填充剂：填充剂在涂料中起骨架的作用，增加涂抹的厚度，降低涂料的成本，赋予涂料某些特殊性能，如耐腐蚀、耐久性、增容不强等作用，主要品种有碳酸钙、云母、二氧化硅、高岭土等。

　　填充剂的应用，离不开超微粉碎机，山东埃尔派的超微粉碎设备：气流粉碎机，气流分级机，空气分级磨，球磨分级生产线等。满足各类填充剂的不同粒度要求的超细超微粉碎。

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