开创粉体材料在塑料中应用的新局面

刘英俊

（中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会，北京 100037）

开创粉体材料在塑料中应用的新局面

刘英俊

（中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会，北京 100037）

在科学发展观指引下科学、合理、适量地使用粉体材料，开创其在塑料中应用的新局面。本文就几种粉体材料在塑料中应用进展情况以及在节材降耗、绿色环保、功能改性三方面所显现出的功效做一介绍。

粉体材料；塑料加工；节能降耗；绿色环保；功能改性

1 粉体材料在塑料加工中已获得广泛应用

中国是当今世界塑料制品生产大国、消费大国，合成树脂表观消费量(国内产量+进口量-出口量)2007年已达4 588万t，同时，每年回收利用再生的废弃塑料和进口废料总计达2 000多万t，加上使用的各种添加剂和助剂，塑料制品及材料的总产量达到7 000多万t，远超德国、日本、意大利等发达国家，仅次于美国，居世界第二位。

改革开放以来，塑料制品的年产量从上世纪80年代初的100多万t增加到现在的规模，而且将继续以二位数的增长速度持续快速发展，粉体材料的贡献功不可没。

1.1 节能降耗功效

我国目前石油对外依存度50%以上，年进口量已过亿吨，以石油为主要原料的合树脂价格也随国际石油价格持续上涨而攀升。粉体材料在塑料中的应用每年能减少数百万吨合成树脂的用量，能源的节约明显，对于我国建设节约型社会，实施可持续发展战略具有重要意义。

粉体材料的价格一般都低于合成树脂，在满足填充塑料制品使用性能的前提下，可显著降低塑料制品成本，提高塑料制品企业市场竞争力。

1.2 绿色环保功效

废弃塑料制品不易降解，给景观和生态环境带来一定的危害。近年来碳酸钙等无机粉体材料在制造环境友好塑料材料方面发挥了重要作用，使不易回收的包装袋、膜等塑料材料安全重返大自然，减轻“白色污染”。

1.3 功能改性功效

粉体材料填充改性塑料在起到增量、降低成本作用的同时，对于所填充的基体塑料有显著的改性作用。

清华大学高分子研究所依据界面诱导与调控理论和应用技术，以重质碳酸钙作为抗冲改性剂，在重钙添加量达到50%时，填充HDPE的缺口冲击强度比纯HDPE提高数倍，甚至十几倍[1]。这种以粉体为主体材料，经过独特的表面处理技术使填充塑料的冲击性能得以显著提高，而同时材料的拉伸强度和弯曲模量未显著降低的改性技术称之为刚性粒子增韧。近年来取得多项研究成果，如填充滑石或云母等颗粒呈片状的粉体，使塑料制品弯曲模量大幅度提高，同时还提高了耐热性；滑石、高岭土和云母粉可以提高塑料薄膜的红外线阻隔性；沉淀硫酸钡可赋于聚丙烯塑料表面高光泽度；硅灰石粉有利于提高塑料材料表面硬度；水镁石兼具填充、阻燃、抑烟三大功能等[2-4]。

2 塑料工业常用粉体材料

2.1 常用粉体材料分类

对粉体材料的分类可依据化学成分、矿物组成、微粒几何形态、用途功效等多种特性进行。最常用的是将塑料用粉体材料分为无机粉体和含碳粉体，前者又可分为非金属矿粉体及工业废渣经加工和分选而得的粉体，后者则分为以碳氢化合物为主要成分的粉体和以碳为主要成分的粉体。其分类情况和主要粉体名称如下页图所示。

2.2 常用粉体材料

2.2.1 碳酸钙

碳酸钙是塑料加工时用得最广、用量最大的非金属矿粉体。根据加工方法不同，碳酸钙分为轻质和重质两种。轻质碳酸钙(简称轻钙)是由石灰石经煅烧、消化、碳化而成，其间经历了化学反应，而重质碳酸钙是经研磨(干法或湿法)而成，其间只有粒径大小的变化而无化学反应过程。轻钙和重钙的主要区别在于堆积密度，工业上用沉降体积(以无水乙醇为沉降介质)加以判别，轻钙的沉降体积达2.5mL/g以上，而重钙通常为1.2～1.9mL/g。

塑料工业常用粉体材料分类

轻钙在聚氯乙烯管材和异型材中应用很多，至今仍没有其他更好的填料能够替代。近几年超细、超微细的轻钙大量问世，甚至纳米碳酸钙。对于塑料加工企业，粉体材料的粒径越小，填充塑料的力学性能、制品表面的光泽和细腻程度越好，但其前提是粉体材料必须以颗粒的形式像大海中的海岛一样均匀分布在塑料基体中，这些颗粒的尺寸、形状、表面状态直接决定着填充材料的性能和使用无机粉体材料的整体效果。

目前轻钙企业提供的产品多为凝聚体(二次粒子)，而塑料加工企业现有的加工设备还不足以在加工过程中将这些凝聚体打散，形成真正意义上的小尺度海岛结构，不仅不能显现出优异的性能，还有可能成为材料内部的缺陷，造成填充塑料性能的劣化。因此在没有解决好分散技术的时候，片面追求颗粒微细化和纳米化是不现实的，这也是目前众多纳米碳酸钙生产线有其名无其实的重要原因。

重质碳酸钙在我国大量用于塑料填充始于上世纪80年代初，用雷蒙磨生产的400目的重钙为我国塑料工业创造了巨大的经济效益。进入90年代，随着粉碎技术与设备的进步，各种粒径分布的研磨重钙产品为塑料加工提供了使用和选择的可能。进入21世纪后，超细、超微细的研磨重钙产品越来越多，质量越来越好，价格也越来越能够被塑料加工企业所接受。但与轻钙一样，重钙也并不是越细越好，就目前的加工技术水平，粒径5～10μm(1 250～2 500目)的产品就可以满足大多数塑料企业的加工要求。

2.2.2 滑石

滑石具有层状结构和硬度低的特征，前者可使填充塑料的刚性和耐热性提高，后者可减轻对填充塑料加工机械设备、模具的磨损。

滑石对红外线具有阻隔使用，加有5%左右滑石粉的农用大棚膜可以有效地阻隔红外线热辐射，从而提高薄膜的保温性。

2.2.3 高岭土

塑料工业用高岭土有两种，即天然软质高岭土和硬质高岭土煅烧而成的煅烧高岭土。

高岭土具有极强的结团倾向，颗粒粒径越小越显著。高岭土极易吸潮，在使用之前必须充分干燥。煅烧硬质高岭土时，在700～800℃下高岭石脱失羟基变成偏高岭石，原高岭石表面及空隙中吸附和充填的碳有机物逸出，从而增大了高岭土的比表面积和反应活性，白度也得到显著提高。控制煅烧温度十分重要，低了影响脱碳，高了会使高岭石转化为莫来石和石英，而这两种矿物成分硬度极高，在塑料加工时会造成加工机械设备和模具的严重磨损。

使用煅烧高岭土主要是为了提高塑料的绝缘强度，特别是制造PVC动力电缆护套料时必须使用。高岭土在塑料中应用还可以在不显著降低延伸率和冲击强度情况下，提高基体塑料的拉伸强度和模量。近年来的研究还表明高岭土对红外线的阻隔作用显著，在农用薄膜中使用，其保温效果优于滑石粉。

2.2.4 氢氧化镁和水镁石粉

氢氧化镁在340℃时失去结晶水，失水反应是吸热反应，氢氧化镁填充聚烯烃塑料兼具填充、阻燃和抑烟三大作用。较之起同样作用的氢氧化铝，氢氧化镁分解温度高于聚烯烃塑料的加工温度(180～220℃)，因此在填充塑料加工时，不会提前分解。

氢氧化镁的制造成本较高，近年来国内开始使用天然矿物水镁石经粉碎研磨制成粉体，已成功地代替化学方法生产的氢氧化镁用于低烟无卤阻燃聚烯烃塑料。大连亚泰科技新材料有限公司以水镁石为原料生产的超细氢氧化镁产品的技术指标：依d50分为2、4、7、10μm等4种规格；依白度分为90%和92%两种；Mg(OH)2含量≥94%，Fe2O3含量≤0.3%，Al2O3含量≤0.3%。同时还生产经表面活化处理的氢氧化镁产品。

2.2.5 沉淀硫酸钡和重晶石

沉淀硫酸钡是经化学方法制成的粉体，其粒度和白度在一定范围可以控制。沉淀硫酸钡密度大(约4.5g/cm3)，能吸收X射线和γ射线，可用于防护高能辐射的塑料材料。此外用其填充的聚丙烯塑料，注射成型后的制品表面光泽好，故现在常用于高光泽聚丙烯制品的制造。

天然硫酸钡重晶石，属斜方晶系，通过粉碎和研磨可达到适当的粒度。我国安亿实业有限公司推出的重晶石粉白度可达95%以上，粒度可在d972～45μm范围内选择。

2.2.6 木质粉体

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，还用于制作板材、注塑成型宫灯骨架等。“木塑”真正作为一种产业快速发展始于上世纪90年代后期，据中国资源综合利用协会木塑复合材料专业委员会统计，截止至2006年底，全国直接或间接从事木塑复合材料研发、生产和配套的企事业单位愈150家，从业人员数万人，木塑制品年产销量超过10万t，年产值达12亿元人民币。

竹粉、稻糠粉、秸杆及木粉等都是做为植物出现的天然高分子材料，含有大量水分，因此干燥去除水分是与塑料复合之前的必要步骤。在180℃下经过1～2h的干燥处理，各种木质粉体材料都可以满足木塑复合材料加工的要求。

在木质粉体在基体塑料中分散良好的情况下，粉体粒径越小，木塑复合材料的性能越佳。

木塑复合材料性能随着木质粉体含量增加，弯曲强度和模量都有所提高，而拉伸强度有所下降，冲击强度则显著下降，木塑复合材料显现明显脆性。

2.2.7 淀粉

多年来，人类把解决“白色污染”的希望寄托在降解塑料上，致使上世纪90年代淀粉添加型塑料被做为生物降解塑料大行其道。现在的淀粉塑料已完全不同于那时添加淀粉20%～30%的聚乙烯塑料，而是淀粉成为主要基体材料的新型生物降解塑料。

淀粉由于特殊的分子结构，分子间相互作用力很强，难以熔融加工。需通过改性处理达到使其由亲水变为疏水、热敏变为耐热、硬脆变为可塑。

填充改性淀粉的生物降解塑料可用于日用品、医用品、玩具及工艺品、园艺花卉用品及工业电子包装用品等。

生物降解材料具良好的卫生性和可降解性能，但材料力学性能还有待进一步提高，而且价格问题是目前影响其推广的主要障碍。

2.2.8 粉煤灰微珠

火力发电厂排放的粉煤灰中有大量球形颗粒，多呈空心状，是煤粉在燃烧过程中，煤粉中的不燃物在高温下熔融，遇冷急剧收缩使球心部分形成真空。

粉煤灰玻璃微球根据其相对密度分为漂珠和沉珠，主要成分是SiO2和Al2O3。漂珠的壁厚仅为珠球直径的5%～8%，在外力压迫下很容易破碎，因此不宜用于挤出、注塑成型的塑料的填料，可以用于热固性塑料或浇铸成型和模压成型的热塑性塑料。

粉煤灰玻璃微珠具有鲜明的形状特色，但它的三大缺点严重阻碍其推广应用：第一色泽不好，呈灰色或土黄色，不能用于填充浅色或艳色塑料制品；第二磨损设备，对目前普遍使用的普通碳钢和氮化合金钢的螺杆、机筒造成的磨损严重；第三作为填料使用的粉煤灰玻璃微珠必须经过分选得到，使其销售价格超过重质碳酸钙。此外在加工成型后，无论是板材、管材或其他型材，在二次加工切割时刃具的磨损极快。

3 塑料行业对粉体材料的希望与要求

3.1 价格适当

尽管绝大多数粉体材料的价格远低于合成树脂，但塑料行业仍然把低廉的价格作为使用粉体材料的原动力。在功能相似(如云母、高岭土、滑石粉都具有红外线阻隔性)时，价格高低成为首要因素，这是在农用棚膜中多使用滑石粉，而极少使用红外线阻隔性能更好的云母粉或高岭土的根本原因。

3.2 杂质及有害成分尽可能地少

塑料用粉体材料原料多是天然资源。素有“天下第一白”之称的四川省宝兴县大理石碳酸钙含量高，杂质极少，呈乳白或瓷白色，磨制重钙粉的白度均在94%以上，很受塑料行业的欢迎。若重钙中硅含量高，不仅白度低，而且硬度高，对设备和模具磨损严重，在竞争中处于劣势。很多塑料制品与人的生活密切，除直接接触食品的塑料制品有极严格的卫生要求外，人们同样关注各种用品的安全性，如有无放射性、有毒有害的重金属、刺激性的气味等。

3.3 硬度尽可能低

塑料加工机械设备中与物料相接触的部件，如螺筒、螺杆、机头、模具等，大多用氮化钢制作，其表面的维氏硬度约800～900。如果粉体材料的硬度与之接近甚至更硬，加之粉体颗粒本身的棱角，会给所接触的金属表面造成严重磨损。加工机械设备的损坏会使廉价粉体材料带来的经济利益消失，甚至得不偿失。

3.4 使用尽可能简单、方便

碳酸钙的大量应用除去价格优势之外，使用简单、方便也是重要原因之一。无论是重钙还是轻钙，所含水分经简单的加热就可除去，而高岭土在烘干后放在空气中会迅速吸潮。碳酸钙呈颗粒状，使用钛酸酯或铝酸酯偶联剂，甚至使用硬脂酸都很容易使其表面从亲水性转为疏水性，而滑石粉是片状结构，虽然可以使用偶联剂使其表面由亲水性转变为疏水性，但在相互碰撞过程中极易层层之间剥离开，形成新的表面，不能使所有的表面都完成有机化。针形硅灰石通常会在加工过程中被机械力打断，其长径比的减少使其增强的功效大受影响。

3.5 突出粉体材料的功能性

木质粉体由可再生植物边角余料得来，尽管在表面处理和成型后的制品性能上还存在这样那样的不足，但从资源和环保的角度考虑，木塑材料的经济、社会意义显著。淀粉具有天然降解性，粉煤灰空心微珠本身为球形颗粒，且硬度极高，炭黑具有紫外线屏蔽作用和导电性，氢氧化镁、氢氧化铝兼具阻燃和抑烟功能，高岭土有卓越的红外线阻隔作用等，这些粉体材料的功能性通常是其他材料无可比拟和不可替代的，因此粉体行业注重研究开发粉体材料与众不同的功能性，增强对其应用的吸引力。

4 结语

粉体材料在塑料中的应用已做出了显著成绩，特别是非金属矿粉体深加工，将资源优势变为产品优势，成为很多地区经济的支柱产业，也为降低塑料原材料成本和改善制品性能做出了不可替代的贡献。

在强调科学发展观的今天，进一步提升使用各种粉体材料，不仅看到它的经济性，既降低塑料原材料成本、节约合成树脂方面的重要性，更要挖掘粉体材料的功能和环保性，从利润的驱动转变到可持续发展新的经济增长方式的高度上，充分展现粉体材料节能降耗、绿色环保和功能改性的三大优势，加强科研开发和成果转化，加强不同行业之间的了解与合作，开创粉体材料在塑料中应用蓬勃发展的新局面。

[1]于建.聚烯烃/碳酸钙复合技术[J].化工科技市场,1999,(10):1-5.

[2]凌伟,刘英俊.云母填充PE吹塑薄膜的初步研究[J].塑料,1991(3):3-5.

[3]陈庆华,钱庆荣,肖荔人,等.环境友好塑料材料的研制及开发动态[J].塑料,2002,31(4):1-7.

[4]刘英俊.矿物粉体材料在塑料中的应用现状及发展趋势[J].中国非金属矿工业导刊,2010,(3):3-7.

TQ314.261

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1007-9386(2011)02-0001-03

2011-01-14