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无机粉体在塑料产品中的应用新进展
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【塑胶五金网】摘 要： 本文将无机粉体的性能及在塑料中的应用范围、特性及 作了较为详细 的叙述，并就如何发挥无机粉体在塑料中的价格优势、性能优势、资源优势提 出了新的理念。
关键词： 无机粉体 应用 新进展
1 前 言
我国是当今世界上塑料制品生产大国，消费大国，也是无机粉体在塑料制品中应用 大国。无机粉体资源丰富、价格低廉、品种多、用途广，不但给塑料加工工业带来明显 的经济效益，产生了有目共睹的生态效益和社会效益，也带动了粉体设备、加工助剂等 相关产业的发展，已成为塑料加工工业中不可缺少的重要组成部分，得到了塑料、环 保、农业等社会各界广泛的认可和关注。
本文就有关无机粉体的主要品种和应用新进展作一简要介绍，并对无机粉体的发展 趋势，提出了个人的观点和看法，供大家参考。
2 无机粉体主要品种介绍
通常大家主要分为无机粉体材料和天然有机高分子材料，前者又可分为非金属矿物 直接粉碎微细化的粉体和以非金属矿物为基础原料经化学反应过程制成的粉体材料，以 及工业废渣经加工和分选而得的粉体材料，无机粉体材料可按化学成分、矿物组成、颗 粒几何形状、用途特性等进行分类。后者则分为以碳氢化合物为主要成分的粉体材料和 以碳为主要成分的粉体材料。主要产品分类情况如图1所示
图1 无机粉体材料的分类
2.1 碳酸钙
碳酸钙是塑料加工工业中应用 早、用量 大、用途 广的无机粉体，目前我国塑 料工业年用量约达500万t，其中重钙约占70%以上，轻钙约30%左右。
轻钙主要用于聚氯乙烯等产品中，包括塑料异型材、管材、板材、片材等产品。 由于轻钙生产工艺复杂、成本高，并且在生产中对环境带来负面影响，其产品用途 和产量受到制约。目前称为纳米钙的产品大都以轻钙为主，但是，轻钙生产厂家提 供的纳米级产品大部分属凝聚起来的二次粒子，这些粒子由数个单粒子聚合在一起， 在应用中难以均匀分散，“纳米” 的优异性能、外观效果和特殊的物理特点难以 显现。
重钙加工工艺简单，资源丰富，价格低廉，已在塑料制品中得到大量应用。随着塑 料工业的发展，塑料制品对重钙的质量要求也越来越高，重钙粒径也由400目逐步向超 细化、功能性发展。1000目以上的产品逐步得到大量应用，粒径分布要求越窄越好， 白度、钙含量、重金属杂质等技术指标也有较高的要求。表1列出了不同粒径的重钙对 复合材料力学性能影响。
表1 不同粒径碳酸钙对复合材料力学性能影响
|
CaCO3粒径/目 |
拉伸强度/MPa |
断裂伸长率/% |
缺口冲击强度/(kJ/m2) |
弯曲强度/MPa |
|
400 800 1250 2250 |
110 122 130 108 |
164 186 210 180 |
6.5 7.0 8.1 6.9 |
208 245 266 221 |
重钙是塑料制品中使用 多的无机粉体，400目重钙是应用 普遍的品种，由于 超细产品的优势逐步被人们认识，目前，1250～2500目的重钙用量已达到40%以 上，并呈快速上升态势。宝鸡市云鹏塑料科技有限公司经过几年的技术攻关，自行 研制成功了 “纳米级” 重质碳酸钙塑料功能母料，该产品在新疆等地的地膜中添加 30%左右，可降低地膜生产成本，提高产品力学性能，并使直射光转换为散射光， 阻隔夜间地温的散失，有效地提高地膜的功能，该地膜在失去有效使用意义时，在 自然环境中合成树脂与无机粉体的 “海” “岛” 效应显现出来，可使地膜逐渐降解呈 片状后粉化成碎末。
近年来，重钙在无纺布、流延膜、地膜、装饰板材、机械零部件等方面都得到广泛 大量应用。加入重钙的一次性医护用品和卫生用品，已成为医务人员和人们生活中不可 缺少的必备用品。PP/CaCO3合成纸是具有生产投资少、工艺简单、无污染、产量高等 优点，可广泛用于印刷、包装、隔层垫等，还可制成食品、药品、化妆品、日用品等产 品的包装袋，盒、桶等，具有外观美丽、清洁卫生、防潮防水、印刷精美、经久耐用、 废弃后在自然环境中可自行分解消纳等优点，得到国家有关部门、造纸企业、广大用户 的认同。
2.2 滑石粉
滑石粉是在近几年塑料制品中应用推广较快的无机粉体。滑石粉具有以下特性：
①滑石的密度为2.7～2.8g/cm3，与重钙相近。
②滑石的莫氏硬度为1，滑石粉在无机粉体中硬度 ，对加工设备的磨损 小。
③滑石呈层状结构，相邻的两层靠微弱的范德华力结合，在外力作用下，相邻两层 之间极易滑移或相互脱离。因此，滑石粉在塑料加工中，在设备的摩擦、挤压等作用 下，滑石粉颗粒极易层层剥离开，从而形成新的颗粒，虽然经过偶联剂或其他化学表面 处理，但达到较好的活化包覆效果，需采取特殊工艺。
④滑石对塑料产品显著的增强作用主要来自于其独特的微观片状结构。加工后的滑 石粉，片状结构保持的越完整，其增强效果越明显。滑石的增强机理，如同水泥中的钢 筋结构，塑料优良的可塑性、伸长率与滑石优异的机械性能相互弥补。在产品加工过程 中，保持产品的片状结构至关重要。较大的径厚比 (片状颗粒平均直径与其厚度之比) 可提高塑料制品的刚性、冲击强度、弯曲模量和热稳定性，在薄膜制品中应用具有良好 的透光性和保温性。
⑤滑石在水中略呈碱性，pH为9.0～9.5。
⑥滑石的颜色有多种，如浅白、灰绿、奶白、淡红、浅蓝、浅灰等，有的还有珍珠 或脂肪光泽。对塑料用的滑石粉往往希望白度越高越好，在粉碎时，各种滑石都成为一 种由灰到白的粉末，并呈现不同程度的固体光泽，但在塑料制品中应用后，有时会发生 颜色的微量变化。
⑦滑石和云母、高岭土等含硅的矿物都具有红外线的阻隔性，尽管滑石的阻隔性不 如云母、高岭土，但滑石的价格便宜、资源丰富、性能稳定，作为农地膜保温剂具有明 显的优势。
⑧滑石的滑腻感十分明显，加入滑石粉的塑料开口性明显改善，还可以改善薄膜的 防黏连性。
⑨当超微细的滑石粉(1μm以下) 可均匀分散在塑料基体之中时，能起到成核剂 的作用。
滑石粉在汽车部件、工业零件等产品中应用优势已得到公认。几年来，滑石粉用于 薄膜、大型管材、军用弹药箱、家电零件等方面，取得了令人满意的效果。
滑石粉可用于聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共 聚物等树脂的改性增强，在加入适量滑石粉后，生产的汽车零部件 (如仪表板、前 后保险杠、内外装饰件等)、家电外壳、摩托车挡风板、挡泥板等产品，不但具有刚 性好、耐热性好、尺寸稳定性好等，还具有外观缺陷少、色调丰满艳丽和特殊的审 视效果。
滑石粉在薄膜中添加10%左右时，主要性能指标有明显改善; 滑石粉可使大型管 材的环刚度、抗压性、冲击强度等得到明显提高; 在军用弹药箱、家电零件中添加适量 滑石粉，可明显降低塑料产品的蠕变性和收缩率，提高产品的抗冲击性和耐老化、耐高 低温等性能，改善产品的外观及触摸感。
2.3 高岭土
目前我国塑料行业使用的高岭土主要分为两大类。
①水洗高岭土 黏土的一种，它的单晶是一种双层水合硅酸铝，一层是二氧化硅， 一层是水合氧化铝，通过化学反应结合而成，具有六角形片状构型。南方软质高岭土呈 白色，莫氏硬度在1.5左右。经过水洗工艺提纯、分级、干燥、煅烧 (煅烧温度在 600 ～750℃)，可以脱失羟基，由高岭石变为偏高岭土，使颗粒层间的水、有机物脱失 挥发，增加孔隙通道，增加比表面积和活性，晶体结构也保持得相当完整。水洗高岭土 自身粒度细腻，分布合理。因不需经机械强力粉碎，不仅节约加工成本，也有利于保持 晶体的结构完整。
②煤系高岭土 它是和煤伴生的硬质高岭土矿石，呈棕褐色或黑色块状。煤系高岭 土的化学组成比较稳定，经煅烧除碳后白度可达90%以上。煤系高岭土要经过煅烧和 粉碎去除炭黑才能使用，碳是否能消除干净直接关系到产品的白度。经过多年努力，我 国已针对这种特殊的资源开发出成熟的粉碎加煅烧的技术与设备。但在煅烧过程中由于 温度的变化会使部分高岭土变成莫来石，硬度极高，极易对加工机械、设备模具造成磨 损。高岭土在煅烧后可提高塑料的电绝缘强度，可用于电缆及电器材料。高岭土对红外 线阻隔作用也非常显著，可以在农用棚膜中作为保温剂使用。
高岭土还可以提高玻璃化温度较低的热塑性塑料的拉伸强度和模量，提高制品的刚 性和强度，加入到聚丙烯中还可以起到成核剂的作用。
高岭土在电线、电缆中已得到广泛应用，精细高岭土金属杂质含量少、莫氏硬度 小、粒径微细且分布均匀，已成为生产高压电线、电缆、电器零件不可缺少的重要材 料，特别是我国城乡建设中街道电线由明线改为地埋线路，矿山生产中高压线路和逐步 推广的输送电线路采用塑料包覆电线、电缆等工程，都对电线、电缆提出了新的更高的 标准，也为发展高岭土精细产品提供了商机。
2.4 云母
云母是矿藏丰富、性能优异的无机粉体，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)。
云母用于塑料时，具有优良的介电性能、耐化学性和耐腐蚀性，渗透性小，热膨胀 系数小，制品硬度高，冲击韧性好等优点。
云母主要用于聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚 物、聚酯、酚醛、环氧树脂、有机硅、聚氨酯等。可用于生产汽车零件、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等制品表面，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，以保持云母的薄片结 构在制品中发挥作用。
2.5 硅灰石
硅灰石是天然的硅酸钙 (CaSiO3)，呈浅白色针状结构，长径比 (L/D) 可达15：1， 是塑料中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。
硅灰石具有资源丰富、价格低廉等优势，是塑料增强改性的理想无机材料，虽然在 塑料制品中受其白度和加工工艺等方面的制约，硅灰石占填料的份额较少，但随着它的 特性逐步被人们所认识，应用量会有所增加。
硅灰石的拉伸强度、弯曲强度及抗蠕变性等优势是其他材料难以比拟的，在大型滚 塑产品、工业部件外罩、面板方面应用后，得到了生产厂家和用户的认可和赞同。但是 由于其硅灰石色泽不理想，影响了它在浅色产品中的应用。
2.6 氢氧化镁和氢氧化铝
氢氧化镁和氢氧化铝加入塑料中可兼具填充、阻燃、消烟等功能，是当前生产低烟 无卤阻燃塑料理想的阻燃材料。
氢氧化铝加入到塑料中，在燃烧过程中氢氧化铝吸收一部分燃烧热，延缓或阻止高 聚物进一步热分解，同时释放出的水蒸气稀释了可燃性物质，而难燃的氢氧化铝沉积在 聚合物表面，起到隔绝空气的作用，从而达到阻燃的目的。它与三氧化二锑等阻燃剂并 用，阻燃效果可明显提高。
氢氧化铝、蒙脱土、硅藻土、粉煤灰微珠等都有各自的特点和优势，应加强这方面 的研究和开发，扩大其应用领域，满足人们对塑料制品的功能需求，提高产品附加值， 创造出更加优异的经济效益、生态效益和社会效益。
2.7 蒙脱土
蒙脱土是一种层状硅酸盐，由于能够用来制作纳米塑料，近年来得到各界高度 重视。
作为纳米塑料分散相的蒙脱土 (MMT) 是具有纳米尺度片层结构的层状硅酸盐。 即在两个硅氧四面体亚层中间含一个铝氧八面体亚层，三个亚层之间通过共用氧原子以 共价键连接，结合极为牢固。由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片 层带有负电荷，过剩的负电荷靠游离于层间的Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子平衡，因此， 容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行离子交换，反应生成有机化蒙脱土。此有机化 蒙脱土呈亲油性，且层间距离被扩大，能进一步与单体或聚合物熔体反应。在单体聚合 过程中或聚合物熔体混合过程中，剥离为纳米尺度的结构片层，并在聚合物基体中均匀 分散，成为纳米塑料。前者成为原位聚合插层，后者称为聚合物熔融插层。
蒙脱土在聚合物基体中的状态并非单一状态，而且由于状态不同，所得到的复合性 能也不相同。如果蒙脱土分散保持原有结构，层间距不变，以单纯的颗粒形式分散在聚 合物中，颗粒的尺寸仍为微米级范畴，只能得到与传统复合材料性能相近的材料，不能 称为纳米塑料; 如果聚合物分子插入到蒙脱土结构片层层间，并使层间距增大，原来的 叠层结构被完全打破，得到的约1nm的硅酸盐片层无规则又均匀地分散于聚合物基体 中，分散相具有极大的比表面积，才是真正意义上的聚合物-蒙脱土复合纳米塑料，也 才是我们所希望得到的纳米材料。
2.8 硅藻土
硅藻土属于硅酸盐类物质，具有稳定性好，耐酸、耐热、密度及松散密度小，吸附 性、分散性和悬浮性好，耐磨性和电绝缘性好，可溶盐含量低，比表面积较大，吸油值 较高等特点。我国硅藻土资源丰富，是世界上硅藻土储量较多的国家之一，目前，硅藻 土在要求比重较小的悬浮物和具有隔热、隔音的板材、片材、厚膜等产品中试用，取得 令人满意的效果，由于该产品的应用效果没有完全被人们所认识，加强对硅藻土的开发 应用和研究，具有重要的应用价值和发展前景。
2.9 重晶石粉 (沉淀硫酸钡)
重晶石是一种天然形成的白色无机盐，为中性体质填料。它的密度为4.16g/cm3， 不透过X射线，具有优异的耐光性和耐腐蚀性、吸油值低、不透紫外线、防辐射等 特点。
硫酸钡已在聚丙烯中得到大量应用，主要用于家电外壳、机械部件等制品中。近 期，也有的在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯树脂中应用后，增加密度、降 低成本、色泽鲜艳，可提高塑料制品的外观效果和阻燃、减震、隔音、耐寒、耐高温、 耐老化等性能。它还可用作道路隔离指示墩等制品的填充改性材料。
2.10 粉煤灰玻璃微珠
粉煤灰玻璃微珠根据其相对密度分为漂珠和沉珠，它们的收集方法不同。漂珠是漂 浮在水面上的空心玻璃球，它的相对密度均小于1，在水面上捞集即可得到。而沉珠的 相对密度均大于1，它是通过对粉煤灰风选或浮选而得到的。
由于各地火力发电厂使用的煤炭成分不完全相同，且燃烧设备和工况条件也不同， 因此在粉煤灰中所含球形颗粒的比例、颜色以及中空球形颗粒的粒径与壁厚大小均有显 著差别。
粉煤灰玻璃微珠具有鲜明的形状特色，可提高塑料制品的冲击性，降低收缩率，玻 璃微珠的利用有利于环境保护和工业废渣的科学开发与利用。它的缺点是色泽差，呈灰 色或土黄色，不宜用于填充浅色或鲜艳色塑料制品; 硬度大，表面处理不好，对设备磨 损严重。
2.11 木粉
我国利用木屑、锯末和木粉作为塑料的填充材料具有相当悠久的历史，除“电木” 之类的传统产品外，二十世纪七十年代和八十年代都有将木屑、锯末和木粉加入塑料中 制作板材或注塑成宫灯骨架等制品。在二十世纪九十年代后期，因出口货物所用的木质 托盘不符合欧美等国家的检疫要求，而率先在物流托盘产品上开创了木塑产品的新纪 元。近年来，不断加深和提高对木塑材料的资源、环保等方面的认知度，有利于实施循 环经济、废旧塑料再生利用、替代木材、节省石油资源等优势，木塑产品的社会关注度 大大提升。木质粉体材料(包括木粉、竹粉、稻草、麦秸、玉米秆、棉花秆等) 由于 其来源广泛、成本低廉，大多呈纤维状形态，有利于节约石油资源和环境保护，应用发 展前景非常好，值得引起更多的关注。但技术条件、工艺装备、产品性能等方面的问题 依然十分突出。
2.12 淀粉
淀粉从玉米、木薯中得来，是一种多羟基天然高分子化合物。目前所用的还是二十 世纪九十年代研究的淀粉生产应用技术。作为一种粉体材料，它的化学组成没有什么变 化，但加工方法和 终产品的性能都有很大的发展，已完全脱离了二十世纪九十年代初 用聚乙烯添加淀粉生产降解塑料的时代，已形成可生物降解、光降解、复合降解等一系 列环保材料。
3 加快推广无机粉体先进应用技术，促进塑料行业又好又快发展
无机粉体在塑料中的应用，取得了显著的经济效益、生态效益和社会效益，无机粉 体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，有效地改善了塑料制品的不足和缺陷，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。
无机粉体与塑料行业，不只是两个行业的有机结合、两类产业的合作与协同，更需 要以塑料行业为主，联合无机粉体和塑料助剂等行业的联合协作、优势互补、相辅相 成，促进行业之间的共同发展，提高塑料行业在社会地位的知名度、美誉度。无机粉体 具有增强、增韧、阻燃、抗冲击、耐老化、抗静电等优点，而这些优异的特性，需要与 合成树脂、塑料助剂有机的配合，特别是要研制开发具有适合多种无机粉体特点的新型 助剂，才能使无机粉体的优势和特点得到充分显现。所以多行业的联合攻关，各种技术 的相互配合，研究出更加适合市场需求的新产品，是我们面临的新的机遇和挑战。
无机粉体在塑料制品中得到广泛应用，降低了塑料制品生产成本，节约了大量的合 成树脂，还明显改善和提高塑料制品的某些性能，有利于塑料在自然环境中降解消纳， 有利于消除“白色污染”，有利于人类与自然和谐共存，为建设资源节约型、环境友好 型社会，实现循环经济科学发展作出新的贡献。
改性塑料成为塑料工业中非常有生命力的活跃行业，无机粉体是改性塑料不可缺少 的重要构成，随着科学技术的进步发展，无机粉体的产品升级、塑料改性的工艺技术、 相关产业的协作配合是有效提升塑料制品功能特点，推动塑料工业健康有序发展的重要 途径。塑料工业步入新的发展平台，也为无机粉体在塑料中的推广应用提供了发展机 遇，提出了新的挑战。科研院所、生产企业和技术人员都要以科学认真的态度，先进实 用的技术，研制生产有利于人类发展、符合市场需求的新产品，满足人们对塑料的更高 要求和希望。少走弯路、减少失误、避免给社会造成损失，全面提升塑料工业的科技水 平和社会美誉度。
国家行业部门、科研机构、大专院校、生产企业等单位，都应以新的角度、新的视 野，重新审视无机粉体，在看到和认可无机粉体已为社会产生效益的同时，应摒弃无机 粉体是塑料制品中价位低廉的填料，应看到无机粉体的功能性、环保性和资源丰富、价 格优异等优势，是合成树脂及各种材料 (包括钢铁、木材、水泥) 无法比拟的。特别 是在社会主义和谐社会建设中，扩大无机粉体在塑料中应用领域，使无机粉体产品向微 细化、纳米化、绿色化、功能化、产业化等方面快速发展。在工艺装备、生产技术、产 品应用和社会效益等方面，应加大投入和力度，加强管理力度，增强服务力度，进一步 与国家有关部委深入交流、密切合作，引起国家相关部门的重视和关注，扩大塑料工业 在社会中的了解深度，提高塑料制品的美誉度，争取更大的支持力度，给予政策倾斜， 使这一投资少、发展快、来源广的新产业为人类文明和社会发展发挥积极的作用。
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