无机矿物填充材料发展趋势及前景展望

付 东，胡银山，毕玉娟

（1.河北省石家庄矿产品技术开发部，河北 石家庄 050086；2.石家庄星海高科非金属矿业材料有限责任公司，河北 石家庄 050000）

填充塑料的科研与生产始终围绕着用什么样的填料和做出具有什么性能的材料等问题而进行。近年来一些以无机矿物粉体为填料实现塑料改性的科研成果相继涌现，并形成具有一定规模的商业化产品，对我国塑料工业的发展起到积极的促进作用。但是随着材料科学的进步和国民经济的发展，通常使用的单一无机矿物粉体将不能完全满足塑料制品综合指标或个性功能要求，此时，作为一种新型的无机填充材料—复合矿物填料便悄然兴起。

1 复合矿物填料

复合矿物填料按其形成方式分为天然复合和人工复合[1]，如川西地区“绢英粉”主要由绢云母和微晶石英组成；河北鹿泉的“滑石粉”主要由滑石、方解石和白云石组成。该填料具有针对用途设计和调节矿物粉体的粒度分布、颗粒形状、晶体结构和化学组成等优势，使不同矿物间产生的“协同效应”能够更好地满足高分子聚合物高强度、高韧性等方面的要求。

2 复合矿物填料的“协同效应”

复合矿物填料的“协同效应”与矿物晶体密切相关，矿物的晶体结构不仅反映了晶体的几何外形，而且包含着晶体内部的化学组成，物理性质以及他们的相互关系。非金属矿品种多性能各异，即使是同一种矿物在不同的地质环境中形成时其晶体结构亦会有所不同，例如硅灰石通常呈片状，但也有呈现纤维状或放射状的。不同晶体结构的矿物是复合矿物填料产生“协同效应”的基础，这对于开发与应用复合矿物填料均具指导意义，例如：山东大学研究认为微细碳酸钙(CaCO3)粒子在聚丙烯塑料改性中起着“成核剂”作用，而微细(CaCO3)与片状滑石粉同时并用有着较好的协同作用。据此，他们成功的设计出压滤机过滤板专用料的配方，其中(CaCO3)超细粉与滑石粉的配比为3∶l，当此复合矿物粉体填充量达到30%时，滤板能承受8.8MPa的压力，该项科研成果为压滤板生产企业有效地解决了适用材料的难题；再如，石家庄市聚丙烯厂提出纤维状硅灰石与片状云母粉并用，得到的改性聚丙烯材料其强度、刚性和冲击韧性等都是其他填料所达不到的。笔者曾以针状轻钙粉与片状云母粉按一定比例制成复合矿物填料，经PHA制品生产厂试用，其效果令人满意。以上实例表明：不同晶体结构的矿物粉体微粒间产生的“协同效应”对改善和提高聚合物复合材料性能有着极其重要的作用。

据悉，在聚乙烯塑料农膜中常填充的是含硅的矿物填料，如云母粉、滑石粉、高岭土等，因对红外线辐射有良好的阻隔作用，可以显著提高农膜的保温性。实践表明，在保障农膜具有较高透明度的前提下，云母粉的效果最好。但由于滑石粉和高岭土的价格相对低廉，所以相关厂家使用的主要是滑石粉或高岭土[2]。值得关注的是选用适量的云母粉与高岭土或滑石粉按一定的比例配置的复合矿物填料用在农膜中效果极佳，这也再次显示出不同晶体结构的矿物“协同效应”得以发挥的结果。

3 复合矿物填料的制备及其机理探讨

矿物学研究认为，不同种类无机矿物的晶体结构、颗粒形状、化学组成及其物理化学性质等千差万别，它们的粉体微粒对填充改性塑料的影响也截然不同(见表1)。

表1 赋予功能效果和相应的填料

复合矿物填料的开发研究必须建立在严格的科学基础上，它的设计绝非是两种或两种以上无机矿物粉体的简单混合，而是涉及到矿物结晶学、岩石地质学、物理学、化学、有机合成学、材料学、工艺学等多学科的知识，只有诸学科的互相配合，才能真正使矿物间产生的“协同效应”得到充分发挥。在这方面，广东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”新工艺的复合粉体通过再研磨使粉体粒子间均匀混合，各粉体微粒子重新排列，粒度分布合理。尤其是通过在矿物材料超细化的同时进行粉体表面改性分散，充分体现了矿物材料比表面积大、活化率高、分散性好的使用特点，因而在聚合物中填充量大，在降低生产成本的同时，也提高了制品的性能、质量及市场竞争力。

复合无机非金属矿物填料表面改性所用的表面改性剂的选择依复合品种而定，如重质碳酸钙/硅灰石复合填料选用硬脂酸及钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂；煅烧高岭土/绢云母复合填料选用硬脂酸及钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂；滑石/透闪石复合填料选用钛酸酯、铝酸酯或硅烷偶联剂和表面活性剂。由于复合无机非金属矿物填料颗粒的表面各向异性，因此，常需要采用多种表面改性剂进行“复合”改性处理。

4 界面现象在发展高性能复合材料中的作用

近年来随着界面理论的研究和应用，无机矿物填料表面改性技术也又有新发展，即在矿物粉体表面活性偶联的基础上再引入一种被称之为“高分子界面相容剂”的物质。如马来酸酐(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)对天然云母粉(1250目)进行包覆处理，制备出PP/包覆云母粉复合新材料。试验结果表明：包覆云母可以有效地改善复合材料中云母与基体的界面结合程度，减少缺陷的出现，随着包覆云母用量的增加，可以同时达到材料增强增韧的双重目的。不仅如此，包覆云母的使用还可以改善材料的加工流动性与维卡软化点，而且丙烯酸接枝聚丙烯/云母粉复合材料在汽车配件中得到应用并取得良好效果(见表2)。可以看出：①PP-g-AA/云母复合材料和主要技术指标均己达到和超过国内同类产品的技术要求；②应用该复合材料可做汽车用塑料、生产耐热刚性仪表板等汽车零部件。

表2 PP-g-AA/云母复合材料与国内同类产品性能比较

以上实例充分证明界面理论的研究和应用，将对我国高性能复合材料的发展起到极其重要的作用。

5 无机矿物填料发展方向及前景展望

复合矿物填料是非金属矿产开发应用的延续产物，它同其他非金属矿物原料一样，现已渗透到国民经济各个领域，尤其在高性能复合材料开发应用中占有举足轻重的地位，发挥着众多原材料不可替代的重要作用。更值得关注的是云母粉或云母粉复合矿物填料产生的“协同效应”及赋予的功能特性逐渐被研发和使用部门所认同，正在并继续产生着巨大的社会经济效益[4]。例如，为了适应我国汽车工业对高强度、高韧性改性聚丙烯材料的需要，晋西机械厂通过科技攻关成功地研制出PP/云母粉/玻璃纤维复合增强新材料，其性能指标如下：熔体流动速率3～5g/10min，热形变温度l45～156℃，拉伸强度34.3～47.6MPa，断裂伸长率6.6%～10.4%，弯曲弹性模量2.82GPa，缺口冲击强度24.6～38.4J/m。用该材料所制汽车仪表板，总体制品尺寸精度符合要求，轮廓曲线规则，无翘曲变形现象，制品表面光洁，无银纹、裂口、气泡等外观缺陷。相关微型汽车厂己用此种国产仪表板装备车辆数万台末发现一例破损现象，材料性能完全满足汽车仪表板使用要求，为我国汽车工业地发展做出了杰出贡献。

目前，我国塑料工业正处在由数量发展型向质量效益型方向的转变时期，因此，对无机矿物填料的性能和质量要求也越来越高。无机矿物填料总的发展趋势是向着高纯化、功能化、微细化、多样化、规模化以及低成本、节能环保方向发展。笔者认为机遇和挑战并存，矿物粉体加工企业与塑料行业均应抓住机遇，知难而上。在互利互惠原则基础上尽早实现跨行业、跨部门的联合协作，瞄准国内外两大市场走共同发展之路。

[1]郑水林.非金属矿物材料[M].北京:化学工业出版社,2007:82-89,130-131.

[2]卢寿慈.粉体技术手册[M].北京:化学工业出版社,2001:673-713.

[3]王磊,王全兵,谢帮互,等.包覆天然云母粉填充聚丙烯复合材料的界面和性能[J].塑料工业,2009(S1):70-73.

[4]付东,安拯,刘红改.湿法云母粉在塑料制品中应用的新进展[R].非金属矿开发与应用,20l1(4):16-18.