如何实现“填料”的高填充？
2020-12-26 09:54:13
George Wypych在《填料手册》中这样定义填料：“填料是一种固体材料，它具有通过自身物理特性和表面相互作用，或者没有表面相互作用来改变材料物理和化学性质的能力。”填料可用于环氧塑封料、热界面材料、覆铜板、塑料等材料中起到改进强度、导热能力等各种性质，或起到降低成本的作用。填料作为改进复合材料性能的重要组成，其填充技术也就显得非常重要。常用的无机非金属填料类填料有二氧化硅，氧化铝，氮化硼，玻璃微珠，碳酸钙及滑石粉等等。
绝缘导热填料赋予塑料材料更优秀的绝缘导热能力
随着电子领域高密度、小型化、高精度、多功能技术的迅速发展，电子元件、封装材料、电路基材等朝着高纯度、高可靠性、高导热、耐高温焊、耐高湿热、高粘结强度及低应力、低膨胀、低吸水、低粘度、低环境污染、易加工等方向发展。要制备这类高性能材料，关键技术是提高填料填充量和使用性能好的树脂。但是加大填料的填充量后带来的主要缺点是粘度增大，流动性大大下降，因此在享受高填充所带来的材料高耐热性、低膨胀收缩率、高可靠的同时要解决高填充流动性问题，对填料也有更高的要求。因此实现填料的高填充对进一步发挥填料特性以提升复合材料的性能是非常有必要的，为此本文与大家探讨一下对于复合材料而言极为重要的“填料的高填充技术”。
填充多少算是“高填充”？
高填充是一个相对的概念，在不同的应用场合，由于材料的功能需求不同，集体体系和加工条件不同，“高填充”对应的填充比例门槛是不一样的。
例如：对于环氧树脂而言70%是个低填充比例，而对于覆铜板来说却已经是最高比例。对于木器漆面漆等6%是高填充比例，而对于导热硅脂而言填充比例却能高达94%甚至更高（备注：如上比例为质量百分比。）
导热硅脂等材料中通常含有大量导热填料
不同材料不同应用领域的填充量“高低”表现出不同的个性，但填料的填充过程面对的体系粘度、分散均匀性、填料和基体之间界面等问题却是共性的，
实现高填充的手段？
为解决填料高填充带来的不良影响，通常通过如下几种方法：①加入低粘度特种树脂；②加入球形填料，并采用大小球复配方式，调整填料的堆积密度；③对填料进行表面处理；④采用特殊的分散设备。
1、采用低粘度的特种树脂
树脂作为复合材料的基材，其自身特性改善对填充过程的影响自然不可忽视。举个例子：环氧树脂具有收缩率低、粘结性好、电气绝缘和耐化学品性能突出等优点得以广泛应用。但环氧树脂也有不足之处：粘度高、流动性差等。为解决这些问题，人们在不影响环氧树脂综合性能的前提下积极研究开发新型结构的环氧树脂。联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、液晶环氧树脂等便是高耐热、低吸潮、低粘度环氧树脂的典型代表。
2、采用球形填料及颗粒级配
一般来说填料片状、纤维状的填料对填充体系粘度影响较大，而粒状填料对填料影响较小。而在粒状粉体各种形貌中，球形及类球形粉体的流动性更佳，可以有效减少填料对填充体系粘度影响，从而实现更高的填充量。但在某些应用条件也会有降低流动性的要求，因此会有采用角形填料与球形填料复配的需求。
理论上，往均一球形颗粒产生的空隙中连续不断地填充适当大小的小球，将可获得非常紧密的填充体，但在实际的填充过程中填充结构随颗粒粒度大小、颗粒相互作用大小，以及填充条件而变化，因此很难得到完全紧密的填充体。要获得紧密的填充体，需要适当的大小颗粒混合比和粒度分布。
颗粒级配示意图
3、对填料进行表面处理
填料的表面改性一直是颗粒表面特性控制的热门话题。填料的表面改性就是指用物理或化学方法对填料粒子表面进行处理，改变了粒子表面的物化性质和赋予与其他物质相结合的各种官能团。目的是降低粒子的表面能，消除粒子的表面电荷，提高粒子与有机相的亲和力，降低粒子表面极性。
填料通过表面处理，一方面可以减小粒子间的作用力，有效防止粒子间团聚，降低整个体系的粘度， 增加体系的流动性；另一方面可以增强粒子与聚合物基体的相容性， 使填料粒子在聚合物基体中均匀分散。
最理想的处理结果如上图中的状态，将填料与填料之间的作用力降到最低，并使填料均匀分散在基体材料中。
4、采用高效率的分散设备
使用强而有效的分散技术，将填料分散至尽量小甚至是原始粒径对降低体系粘度以及增加复合材料的流动性有重要的作用。目前已有多种高效的分散技术应用于固态团聚体的分散，如球磨法、辊磨法、高压均质机分散法等。
a球磨法
球磨法是固/固分散或固/液分散的有效方法。球磨法有几个特点：广泛适用，低劳动成本和维护成本，无挥发损失，常用设备为卧式砂磨机。举个例子使用卧式砂磨机对50%固含量的陶瓷浆料进行分散后，流延制成的陶瓷生膜片表面光滑平整，浆料均匀分散在粘合剂基体中，无团聚体存在。
b辊磨法
辊磨是通过强大的剪切外力破坏原料颗粒内分子之间的结构应力，再经中前两辊高速的二次研磨，从而达到迅速的粉碎和分散，进而达到各种原料的高度均匀混合。辊磨机粉碎、分散性能好，质量稳定、操作方便、换色容易，同时可配合砂磨，胶体磨等设备使用。辊磨机最大的优点是适用于粘度高的产品，这对高填充复合材料的制备起到很大的作用。
c高压均质机分散法
高压均质分散机运行时是通过高压往复泵为动力使物料瞬间受到湍流、空穴、剪切等复合力的作用，从而使液态物质或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化。
高压均质部件原理
参考来源：
1、填料高填充技术的研究进展；江苏联瑞新材料股份有限公司；曹家凯，孙小耀等著。
2、无机填料高填充技术的应用研究进展；广东生益科技股份有限公司；杜翠鸣，柴颂刚等著。
编辑：小白