粉体的物理性质对填充体系的影响
2020-12-18 17:41:53
天然矿物在业生产中用于填料时，除了起填充作用降低成本外，部分还能赋予材料优异的性能和新的功能，使产品性能更加优越。填料粉体的物理及化学性能对填料的加工性能及使用性能有着极大的影响。
本篇将为大家解析粉体的物理性质对填充体系的影响。矿物填料的物理特性，主要考虑粒径大小、粒径分布、颗粒形状、比表面积、吸油值、硬度等。
一、填料的分类
美国学者HurlLut将填料的化学组成按氧化物、盐、单质和有机物做大致的划分。
按填料的作用分类：普通填料和功能型填料，前者增加制品的体积或数量、降低制品的成本，后者改善制品的性能或赋予制品某些新的功能。
各种填料在塑料制品中的功能如下表所示：
二、矿物填料的物理性质
1、粒径、粒径分布
填料颗粒的粒径和粒径分布是粉体填料的重要特性之一。填料粒径、粒径分布影响到材料制品如塑料、橡胶的力学性能；影响到造纸填料、涂布颜料及涂料的光学性能、流变性能。
一般而言矿物粒径越小，填充材料的力学性能就越好，如添加到橡胶里的粒子，粒度越小，其撕裂强度就越大。但同时颗粒粒径越小，实现其均匀分散就越困难。另外，颗粒越小，吸油值就越大，所需助剂就越多，因此加工费用就越高。
因此在实际应用中，各种填料有一个适宜的范围，详见下表，单位为微米。
粒度的测试方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电阻法、激光法等，具体内容可参考文章：粒度测试的方法及应用简介（点击可查看）
2、颗粒形状
颗粒形状是影响填料在填充体系中起作用的重要因素之一。颗粒的形状可用扫描电镜和透射电镜进行分析。
颗粒的典型形态见下图:
不同形貌的矿物填料对填充体系的影响见下描述：
a、球形：呈球形或非常微细接近于球形的填料均属球形矿物填料。
对填充体系性质的影响：球形填料在塑料复合材料中具有良好的流动性，在制品表面能形成平滑面，制品内部应力均匀。
b、片状：底面形状与厚度存在一定比例关系，在充分分散的情况下，能以单片状或聚合片展现。
对填充体系性质的影响：径厚比大于一定值时，复合材料的刚性大大提高。当其表面和聚合物的链端间具有很高的黏附力时，长宽比小的填料也可产生增强作用。片状如高岭土和云母可作为表面涂膜，在天然和合成橡胶中，能改善强度、耐磨性和刚性。滑石在塑料中能改善化学性能、耐热性、冲击强度、空间稳定性、刚性、硬度、热导率和绝缘性能。
c、粒状：是介于球形和片状的一种微小粒子，纵横比大约为1，但又不是圆球形粒子。属于粒状的有立方体、菱形体等。
对填充体系性质的影响：碳酸钙在橡胶制品中主要是降低成本。特细级碳酸钙可作塑料功能性填料，改进耐擦伤性能和光泽，增强耐冲击性，改善冷态流动性，在涂料中有很好减光、防老化性能。重晶石和硫酸钡粉的高防水性和耐用性，可以作为防锈涂料的涂底材料。硫酸钡可以改变和提高橡胶制品的耐腐蚀性能。
d、针状：断面有圆形、正方形、六边形、长方形、三角形等，长度方向类似纤维状。石膏、硅灰石是典型的针状填料。
对填充体系性质的影响：硅灰石填充树脂后，尺寸稳定性好，有耐磨擦性，平滑性且富于自然色泽，在树脂中的分散性好，强度下降程度小且填充材料熔体黏度低，对树脂填充量可达70%以上。
e、纤维状：集合状态较复杂，断面形态有圆形、长方形、复杂形等，纤维长径比大小不一，如石棉、海泡石。
对填充体系性质的影响：在塑料成型加工中通常起增强作用。海泡石用于浅色大底胶鞋中，其补强性能仅次于白炭黑，因其吸水性较强而易吸湿，储存有缺陷。
3、比表面积
比表面积是指单位质量的物质所具有的表面积。填料的比表面积越大，对树脂填充改性的效果越好。但填料颗粒比表面积越大，表面自由能越大，颗粒之间越易凝聚，越难分散。
常见填料的比表面积见下表。
造纸填料的比表面积影响光散射、纸张的强度和印刷性能。涂料填料的比表面积影响涂料的黏度、流动性、分散稳定性、吸油量等。
4、吸油值
当填料与增塑剂同时并用时，如果填料吸油值高就会吸附增塑剂，会大大降低增塑剂对树脂的增塑效果，或者需增大增塑剂的用量。
常见填料的吸油值见下表。
5、硬度
填料颗粒的硬度大小对加工设备的磨损有重要影响。硬度越大，对加工设备的磨损越大。但硬度高的填料可以提高橡塑制品的耐磨性，如用石英作PVC塑料地板块的填料，使其非常耐磨和耐刻划。
常见填料的硬度见下表。
参考来源：非金属矿物填料与加工技术/袁继祖 编著