無機礦物填充材料發展趨勢及前景展望

付 東，胡銀山，畢玉娟

（1.河北省石家莊礦產品技術開發部，河北 石家莊 050086；2.石家莊星海高科非金屬礦業材料有限責任公司，河北 石家莊 050000）

填充塑料的科研與生產始終圍繞著用什么樣的填料和做出具有什么性能的材料等問題而進行。近年來一些以無機礦物粉體為填料實現塑料改性的科研成果相繼涌現，并形成具有一定規模的商業化產品，對我國塑料工業的發展起到積極的促進作用。但是隨著材料科學的進步和國民經濟的發展，通常使用的單一無機礦物粉體將不能完全滿足塑料制品綜合指標或個性功能要求，此時，作為一種新型的無機填充材料—復合礦物填料便悄然興起。

1 復合礦物填料

復合礦物填料按其形成方式分為天然復合和人工復合[1]，如川西地區“絹英粉”主要由絹云母和微晶石英組成；河北鹿泉的“滑石粉”主要由滑石、方解石和白云石組成。該填料具有針對用途設計和調節礦物粉體的粒度分布、顆粒形狀、晶體結構和化學組成等優勢，使不同礦物間產生的“協同效應”能夠更好地滿足高分子聚合物高強度、高韌性等方面的要求。

2 復合礦物填料的“協同效應”

復合礦物填料的“協同效應”與礦物晶體密切相關，礦物的晶體結構不僅反映了晶體的幾何外形，而且包含著晶體內部的化學組成，物理性質以及他們的相互關系。非金屬礦品種多性能各異，即使是同一種礦物在不同的地質環境中形成時其晶體結構亦會有所不同，例如硅灰石通常呈片狀，但也有呈現纖維狀或放射狀的。不同晶體結構的礦物是復合礦物填料產生“協同效應”的基礎，這對于開發與應用復合礦物填料均具指導意義，例如：山東大學研究認為微細碳酸鈣(CaCO3)粒子在聚丙烯塑料改性中起著“成核劑”作用，而微細(CaCO3)與片狀滑石粉同時并用有著較好的協同作用。據此，他們成功的設計出壓濾機過濾板專用料的配方，其中(CaCO3)超細粉與滑石粉的配比為3∶l，當此復合礦物粉體填充量達到30%時，濾板能承受8.8MPa的壓力，該項科研成果為壓濾板生產企業有效地解決了適用材料的難題；再如，石家莊市聚丙烯廠提出纖維狀硅灰石與片狀云母粉并用，得到的改性聚丙烯材料其強度、剛性和沖擊韌性等都是其他填料所達不到的。筆者曾以針狀輕鈣粉與片狀云母粉按一定比例制成復合礦物填料，經PHA制品生產廠試用，其效果令人滿意。以上實例表明：不同晶體結構的礦物粉體微粒間產生的“協同效應”對改善和提高聚合物復合材料性能有著極其重要的作用。

據悉，在聚乙烯塑料農膜中常填充的是含硅的礦物填料，如云母粉、滑石粉、高嶺土等，因對紅外線輻射有良好的阻隔作用，可以顯著提高農膜的保溫性。實踐表明，在保障農膜具有較高透明度的前提下，云母粉的效果最好。但由于滑石粉和高嶺土的價格相對低廉，所以相關廠家使用的主要是滑石粉或高嶺土[2]。值得關注的是選用適量的云母粉與高嶺土或滑石粉按一定的比例配置的復合礦物填料用在農膜中效果極佳，這也再次顯示出不同晶體結構的礦物“協同效應”得以發揮的結果。

3 復合礦物填料的制備及其機理探討

礦物學研究認為，不同種類無機礦物的晶體結構、顆粒形狀、化學組成及其物理化學性質等千差萬別，它們的粉體微粒對填充改性塑料的影響也截然不同(見表1)。

表1 賦予功能效果和相應的填料

復合礦物填料的開發研究必須建立在嚴格的科學基礎上，它的設計絕非是兩種或兩種以上無機礦物粉體的簡單混合，而是涉及到礦物結晶學、巖石地質學、物理學、化學、有機合成學、材料學、工藝學等多學科的知識，只有諸學科的互相配合，才能真正使礦物間產生的“協同效應”得到充分發揮。在這方面，廣東佛山某化工有限公司做了大量的探索，并取得一些成果，其中采用“一步法”新工藝的復合粉體通過再研磨使粉體粒子間均勻混合，各粉體微粒子重新排列，粒度分布合理。尤其是通過在礦物材料超細化的同時進行粉體表面改性分散，充分體現了礦物材料比表面積大、活化率高、分散性好的使用特點，因而在聚合物中填充量大，在降低生產成本的同時，也提高了制品的性能、質量及市場競爭力。

復合無機非金屬礦物填料表面改性所用的表面改性劑的選擇依復合品種而定，如重質碳酸鈣/硅灰石復合填料選用硬脂酸及鈦酸酯偶聯劑和鋁酸酯偶聯劑；煅燒高嶺土/絹云母復合填料選用硬脂酸及鈦酸酯偶聯劑或硅烷偶聯劑；滑石/透閃石復合填料選用鈦酸酯、鋁酸酯或硅烷偶聯劑和表面活性劑。由于復合無機非金屬礦物填料顆粒的表面各向異性，因此，常需要采用多種表面改性劑進行“復合”改性處理。

4 界面現象在發展高性能復合材料中的作用

近年來隨著界面理論的研究和應用，無機礦物填料表面改性技術也又有新發展，即在礦物粉體表面活性偶聯的基礎上再引入一種被稱之為“高分子界面相容劑”的物質。如馬來酸酐(MAH)接枝聚丙烯(PP)所得PP-g-MAH、丙烯酸(AA)接枝聚丙烯(PP)所得PP-g-MAH等。王磊[3]等，采用(PP-g-MAH)對天然云母粉(1250目)進行包覆處理，制備出PP/包覆云母粉復合新材料。試驗結果表明：包覆云母可以有效地改善復合材料中云母與基體的界面結合程度，減少缺陷的出現，隨著包覆云母用量的增加，可以同時達到材料增強增韌的雙重目的。不僅如此，包覆云母的使用還可以改善材料的加工流動性與維卡軟化點，而且丙烯酸接枝聚丙烯/云母粉復合材料在汽車配件中得到應用并取得良好效果(見表2)。可以看出：①PP-g-AA/云母復合材料和主要技術指標均己達到和超過國內同類產品的技術要求；②應用該復合材料可做汽車用塑料、生產耐熱剛性儀表板等汽車零部件。

表2 PP-g-AA/云母復合材料與國內同類產品性能比較

以上實例充分證明界面理論的研究和應用，將對我國高性能復合材料的發展起到極其重要的作用。

5 無機礦物填料發展方向及前景展望

復合礦物填料是非金屬礦產開發應用的延續產物，它同其他非金屬礦物原料一樣，現已滲透到國民經濟各個領域，尤其在高性能復合材料開發應用中占有舉足輕重的地位，發揮著眾多原材料不可替代的重要作用。更值得關注的是云母粉或云母粉復合礦物填料產生的“協同效應”及賦予的功能特性逐漸被研發和使用部門所認同，正在并繼續產生著巨大的社會經濟效益[4]。例如，為了適應我國汽車工業對高強度、高韌性改性聚丙烯材料的需要，晉西機械廠通過科技攻關成功地研制出PP/云母粉/玻璃纖維復合增強新材料，其性能指標如下：熔體流動速率3～5g/10min，熱形變溫度l45～156℃，拉伸強度34.3～47.6MPa，斷裂伸長率6.6%～10.4%，彎曲彈性模量2.82GPa，缺口沖擊強度24.6～38.4J/m。用該材料所制汽車儀表板，總體制品尺寸精度符合要求，輪廓曲線規則，無翹曲變形現象，制品表面光潔，無銀紋、裂口、氣泡等外觀缺陷。相關微型汽車廠己用此種國產儀表板裝備車輛數萬臺末發現一例破損現象，材料性能完全滿足汽車儀表板使用要求，為我國汽車工業地發展做出了杰出貢獻。

目前，我國塑料工業正處在由數量發展型向質量效益型方向的轉變時期，因此，對無機礦物填料的性能和質量要求也越來越高。無機礦物填料總的發展趨勢是向著高純化、功能化、微細化、多樣化、規模化以及低成本、節能環保方向發展。筆者認為機遇和挑戰并存，礦物粉體加工企業與塑料行業均應抓住機遇，知難而上。在互利互惠原則基礎上盡早實現跨行業、跨部門的聯合協作，瞄準國內外兩大市場走共同發展之路。

[1]鄭水林.非金屬礦物材料[M].北京:化學工業出版社,2007:82-89,130-131.

[2]盧壽慈.粉體技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2001:673-713.

[3]王磊,王全兵,謝幫互,等.包覆天然云母粉填充聚丙烯復合材料的界面和性能[J].塑料工業,2009(S1):70-73.

[4]付東,安拯,劉紅改.濕法云母粉在塑料制品中應用的新進展[R].非金屬礦開發與應用,20l1(4):16-18.