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无机矿物材料在塑料中的应用
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【塑胶五金网】摘 要： 无机矿物材料在塑料中得到广泛应用，已成为塑料制品的主要添加材料。本文 介绍了无机矿物材料在塑料中的应用概况，分析了应用效益，并简述了无机矿 物材料在塑料中的应用前景。
关键词： 无机矿物 塑料 应用
1 前 言
目前，我国塑料制品年产量达到约2000万t，有2/3的塑料制品需要利用填充、共 混、增强等改性技术，无机矿物材料已成为塑料制品的重要改性原辅材料，无机矿物新 材料不断出现，无机矿物材料年需求量不断增长，应用领域不断扩大。
无机矿物材料在塑料中的应用，已不仅仅是起到降低塑料制品原料成本的作用，它 的优异性能可明显改善塑料制品的物理性能和力学性能，并可在光、热和微生物等自然 条件下，被自然环境消纳，成为环境友好材料，减小废弃塑料对环境造成的污染。因 此，大力开发推广无机矿物材料在塑料中的应用，具有明显的经济效益、生态效益和社 会效益。
2 无机矿物材料在塑料中的应用
早在二十世纪六七十年代，无机矿物材料已在高分子材料中得到推广应用，二十世 纪八十年代初，无机矿物材料已成为塑料制品中的主要添加材料，特别是近几年来，无 机矿物材料在塑料制品中不只是填充材料，也是塑料改性、增强、增韧等方面的重要手 段 得到了生产厂家和产品用户及市场的共同认可。我国无机矿物材料在塑料中年使用 量达到300万t以上。
2.1 碳酸钙在塑料中的应用
碳酸钙 (CaCO3) 是塑料中应用量 大的填料，占80%以上。碳酸钙作为填料在 塑料中应用有以下优点：
①资源丰富，来源广泛，价格低廉，全国各地大都有分布，主要以四川宝兴、广 西、贵州等地品质较佳。
②无毒、无味、无刺激，达到美国药典、美国食品及药物管理局规定的接触食品的 标准。
③白色，折射率小，易于着色，可与多种助剂和树脂混合，并获得理想的色彩。
④硬度小 (莫氏硬度3)，热稳定性好(耐热温度高达550℃左右)。
⑤干燥，不含结晶水。
⑥粒度分布广，粒度分布可满足高分子材料要求且可控制。
⑦易与助剂进行表面包覆或交联，以改善塑料的熔体流动性。
⑧加工稳定性好，可减少塑料制品的收缩率及凹陷。
目前，国内塑料制品中年需碳酸钙约240万t，重质碳酸钙约占80%，轻质碳酸钙 约占20%，重钙用量 大的是粒径400目产品，随着对塑料制品的性能要求越来越高， 1250目、1500目的超细碳酸钙用量逐渐扩大。但由于工艺技术的限制，2000目以上的 碳酸钙粒径过小，在加工过程中不易分散或产生凝聚，目前应用较少。
碳酸钙主要用于聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等 高分子材料生产的薄膜、管材、片材、板材、型材等产品。
2.2 滑石粉在塑料中的应用
滑石是一种水合硅酸镁，随产地的不同，其化学组分有所不同。我国滑石矿分布较 广，辽宁海城、广西桂林等地的滑石纯度较高，白度较好。
由于滑石呈薄片构型的粉状产品，在塑料中是一种增强性填料。滑石粉价格低 廉，具有片状构型，纵横比高，杂质含量少，热稳定性好，冲击强度高，刚度大， 而滑石的硬度低 (莫氏硬度1)，折射率小，对大多数化学试剂呈惰性，与酸接触不 发生分解。
采用滑石粉填充复合材料，呈现较高的刚度和抗蠕变性，在薄膜及薄制品中应用， 不但能够提高其物理力学性能，还可改善塑料制品的透光效果。
滑石粉在塑料制品中应用较多的主要有800目、1000目、1250目、1500目等。滑 石粉易吸潮，经干燥后与偶联剂交联包覆，填充量可达20%～40%，广泛用于聚丙烯、 聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等高分子材料生产的板材、管材、片材、薄膜、 中空制品等，可与玻璃纤维混合使用，生产各种机械部件、导管、衬板、罩类及汽车的 仪表板、保险杠、护板等。
2.3 高岭土在塑料中的应用
高岭土是高岭石矿的通称，它是许多被称为黏土的无机物中的一种，高岭土的单晶 是一种双层水合硅酸铝，是由二氧化硅层和水铝氧 (水合氧化铝) 层化学结合而成的， 具有六角形片状结构。片径比约为4：1～10：1。高岭土的化学稳定性极好。
高岭土在二十世纪六十年代就已用于塑料的补强改性。由于其优异的特性，近年来 在塑料中应用范围和应用领域不断扩大。
高岭土在塑料中使用时，要加入分散剂、偶联剂对其表面进行活化包覆处理。高岭 土不但具有明显的补强、增强效果，而且它的电性能、绝缘性能和化学稳定性也非常突 出。所以，作为电缆、电线外套的增强改性剂尤为适宜，特别是10KW以上的高压电 缆，大都采用煅烧优质高岭土，以保证其绝缘性和抗穿刺性。
高岭土在我国北方使用的塑料大棚的薄膜中应用，可改善棚内光谱效果，提高塑料 薄膜的透光率，阻隔夜间红外光散失。在塑料转光膜中，提高光合利用率，增加农作物 产量。
高岭土在提高塑料的拉伸强度和模量的同时，断裂伸长率和冲击强度下降不明显。 但是，高岭土流动性较差，煅烧高岭土硬度高，易造成机械设备的过多磨损，要借助于 表面活性剂和增塑剂对其进行表面处理，克服这些缺点，满足生产工艺的需要。
2.4 硅灰石在塑料中的应用
硅灰石是天然的硅酸钙 (CaSiO3)，呈白色针状结构，长径比 (L/D) 可达15：1， 是纤维状的无机增强填料，具有极好的拉伸强度和弯曲强度，并且具有特别好的耐湿 性能。
硅灰石在塑料中应用时，采用硅烷偶联剂对其进行表面处理。硅灰石主要用于聚 酯、聚酰胺、聚丙烯、乙烯类溶胶等。硅灰石是塑料增强改性理想的无机材料，虽然在 塑料中硅灰石占填料的份额较少，大约5%，由于它的性能优异，今后硅灰石在塑料中 的应用量会有所增加。
2.5 云母在塑料中的应用
云母是矿藏丰富、价格便宜的矿物材料，云母的高纵横比是塑料中具有薄片状特殊 型增强填料，云母分为无色透明和深色不透明 (主要有桃红色、琥珀色、黄色、棕色、 绿色、紫色等)。
云母具有优良的介电性能，耐化学试剂和耐腐蚀性能好，渗透性小，热膨胀系数 小，制品硬度高，冲击韧性好等。
云母主要用于聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酯、酚醛、环氧树 脂、有机硅、聚氨酯等树脂的填充改性。可生产汽车零件、机械部件、棒材、管材、板 材等制品。由于云母薄片在加工时要取向平行制品表面，而云母在剪切作用下极易折 断，要求在高流动、低黏度、低剪切应力下进行加工生产，以保持云母的薄片结构在制 品中发挥作用。
2.6 其他无机矿物材料在塑料中的应用
二氧化硅 (SiO2)，目前已有20多种不同形态的产品，一般使用以来源于石英岩的 天然微结晶石英的硅藻土为多。二氧化硅硬度高 (莫氏硬度7)，对加工设备磨损严重， 限制了它在塑料中的大量应用。但二氧化硅赋予塑料制品的尺寸稳定性、优良的电绝缘 性，较好的导热性和力学性能，并可降低生产成本，可在热固性塑料、热塑性塑料中应 用，不但是塑料制品的填料，还是塑料制品的增量剂和增强剂。
硫酸钡，也称硫酸盐、重晶石。来源于重晶石矿，用硫酸钠处理钡盐，生产过氧化 氢的副产物。密度4.25～4.5g/cm3，白色、无臭、无味。在塑料中作为填料，可增加 比重，提高抗磨性，主要用于聚酯泡沫塑料，并可用于提高塑料制品比重的产品，并且 使其有较高的承载力。
除了以上介绍的无机矿物材料在塑料制品中已大量应用外，尚有很多无机矿物材料 已在塑料制品中应用，并取得了令人满意的效果。如晶须类无机矿物材料可明显提高塑 料制品力学性能等，由于篇幅有限，不再详细叙述。
3 无机矿物材料在塑料中的应用效益分析
无机矿物材料本身不仅是一种功能材料，而且为新的功能材料的复合与开发展现了 广阔的应用前景，在塑料中的应用不但为生产企业带来了显著的经济效益，还产生了明 显的生态效益和良好的社会效益。
3.1 无机矿物材料在塑料中的应用为生产企业带来了显著的经济效益
无机矿物材料是涉及领域广、用途范围大的新型塑料功能性材料，它的开发应用， 带动了无机矿物材料的深加工，并成为高附加值的工业产品，也为塑料行业降低生产成 本，改善塑料制品性能，提高企业经济效益开辟了新途径。
无机矿物材料在我国分布极为广泛，几乎遍布全国各地，深加工企业有数千家，大 多以国产设备为主，产品主要在400～1500目为多。近几年有江苏、辽宁、四川、广东 等地引进国外先进设备，生产的产品粒度分布均匀、粒径较小、质量稳定，为塑料行业 提供了较为优良的改性材料。
无机矿物材料价格低廉，一般约占是塑料原料价格的5%～20%，塑料制品中加入 5%～20%的无机矿物材料，减去加工母料的生产成本因素，塑料加工企业塑料制品成 本可下降10%～30%，而有的高填充制品如打包带、电缆填充绳等，母料份数达到 40%～80%，已成为塑料加工厂家获取经济效益的主要措施。
目前河北省平乡县东风塑料厂研制的高性能薄膜改性母料，在常用的聚乙烯背心 袋、购物袋中加入35%～40%，碳酸钙含量达到30%～35%，扣除碳酸钙比重因素， 添加母料后，聚乙烯背心袋成本下降18%～20%，背心袋的各项性能指标达到并超过 国家行业标准要求，能够满足市场的要求。
3.2 无机矿物材料在塑料中应用带来了明显的生态效益
“白色污染” 已成为塑料行业难以辩解的 “罪责”。实际上，大家知道塑料大部分 都是无毒、无味、无污染的，由于国民素质，形成了随手丢弃固体废物的不良习惯，加 上国家管理法规的不完善，以及对废弃物再生利用的激励扶持政策不到位，这些都是造 成 “白色污染” 的重要因素。
在塑料制品中填充无机矿物材料后，有利于塑料制品的自然降解。经过应用试验证 明，在聚乙烯吹膜中加入母料后，使膜中含碳酸钙量达到30%时，制成的购物袋在自 然环境中进行暴晒试验，经过65～80d，断裂伸长率降低30%，在垃圾中掩埋180d， 断裂伸长率降低45%，半年后可自然分解成碎片。而在仓库中存放180d，各项性能指 标与出厂时均无明显变化。
因此，在一次性塑料制品中推广应用无机矿物材料，不但节约合成树脂，降低生产 成本，而且为解决由塑料引起的“白色污染”、保护生态环境，开辟了新途径，使塑料 真正成为环境的友好材料。
3.3 无机矿物材料在塑料中的应用产生了良好的社会效益
无机矿物材料在塑料制品中应用替代了高分子材料，节约了合成树脂，为缓解我国 石油资源短缺做出了积极的贡献。
全国塑料行业年使用无机矿物材料按300万t计算，扣除材料比重因素，每年节约 合成树脂180万～200万t，大大缓解了我国塑料原料紧缺的局面，减少合成树脂进口， 为国家节约了大量外汇。
4 无机矿物材料在塑料中的应用前景
无机矿物材料在塑料中的应用，取得了显著的经济效益、生态效益和社会效益，无 机矿物材料已成为塑料工业中不可缺少的重要原料之一，不但带动了无机矿产加工行业 的飞速发展，推动了塑料行业的技术进步，特别是近几年超细粉体、纳米粉体、特殊粉 体的新品种出现，弥补了塑料制品的某些不足和缺陷，为塑料制品提供了优异的性能， 如增强、增韧、阻燃、保温、隔热、抗蠕变、抗冲击等。
因此，无机矿物材料与塑料行业，不只是两种行业的结合，两类产业的协同，而是 相辅相成、优势互补，促进社会进步不可分割的共同体。我国塑料工业每年以两位数的 速度递增，无机矿物材料在塑料中的应用量远远超过塑料制品的增长速度，已占到塑料 制品总产量的15%～20%，并以年增长率约20%～25%的速度增长。
无机矿物材料在原来用于聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺产品的基础上，目 前几乎涉及数十种树脂生产的丝、带、膜、管、桶、瓶、汽车部件、电器部件、机械零 件等。添加量从原来的3%～20%，增加到目前5%～40%，有些产品无机矿物材料占 到制品重量的50%～60%，添加效果和作用，从为了单纯降低生产成本，变为提高塑 料基材的某些性能，改善物理性能，特别是在一次性使用的塑料制品中加入一定量的无 机矿物材料时，可在使用后在自然环境中自然分解，有利于消除废弃塑料产生的 “白 色污染”。
5 结 束 语
无机矿物材料与塑料行业是跨学科、跨行业的新兴技术和材料的有机组合，得到了 无机材料与有机材料及塑料制品加工业的共同认可。无机矿物材料在塑料中的广泛应 用，不但作为填料降低塑料制品生产成本，使塑料加工厂家获得了良好的经济效益，还 节约了大量的合成树脂，使有限的石油资源得到了充分利用。特别是采用新技术，添加 无机矿物材料后，不但改善和提高了塑料制品的物理力学性能，还可使废弃后的一次性 塑料制品被自然环境消纳，减少了塑料对环境产生的 “白色污染”，成为环境友好型 材料。
近几年发展迅速的无机材料增韧、增强技术和纳米材料与塑料复合技术都能使无机 填充材料的刚性和冲击性能得到提高。采用新的填料表面处理技术和填料与基体树脂之 间的界面诱导技术，可使填充改性材料的性能进一步提高，为塑料行业在各个应用领域 提供具备特别的优异性能和价格低廉的原材料，并可进一步扩大塑料的应用领域，为人 类文明和社会发展，发挥了积极的作用。
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