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随着国民经济高速发展，国内市场对工程塑料的需求持续增长很快，特别是电子、汽车、交通运输、建筑材料、包装、医疗器械及人体器官等领域都需要大量性能优良的工程塑料。据Ceresana公司发布的最新报告称：到2020年，全球工程塑料市场市值将达到900亿美元。 工程塑料主要是通过改变高分子树脂、无机填料、助剂等原料配比和加工条件制备能满足工程领域应用性能指标的新材料。碳酸钙、云母、硅灰石、膨润土、高岭土、滑石等非金属矿物材料已大规模应用于工程塑料，以降低产品成本、改善材料的机械性能和加工性能、提高材料稳定性和阻燃性能。 一、非金属矿填料对工程塑料机械性能的影响 矿物原料的粒径、形貌、表面/界面性质对其功能或功能的发挥有很大影响。 1、粒径对工程塑料机械性能的影响 非金属矿填料的粒径大小对改性效果影响很大，一般分为常规级（直径>5μm）、超细级（0.1nm～5.0μm）和纳米级（<> 王庭慰等研究了不同粒径云母填充的尼龙6力学性能，试验结果表明：云母粒径越小，对材料的综合力学性能越有利。
贾娟花等将粒径不等的硅灰石与PA66共混挤出，硅灰石可大大地提高尼龙66的拉伸强度和弯曲强度，并发现硅灰石的填充量低时选择超细粉体，填充量高时用中等细度的硅灰石，材料的综合力学性能最佳。 2、颗粒形貌对工程塑料机械性能的影响 非金属矿物形貌多种多样，大体可以分为零维粒状填料、一维棒状或纤维状填料、二维层状材料。 零维粒状非金属矿粉体，由于生产工艺简单、成本低，在工程塑料改性中应用最为广泛，例如常见的碳酸钙、硫酸钡。 △球形碳酸钙 天然和人工合成粘土矿物中很多呈一维或二维取向形貌，通常认为多维粘土矿物填料对工程塑料力学性能改善的效果比零维好。 △凹凸棒土 如纳米纤维状的凹凸棒粘土与工程塑料聚酰胺、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）原位聚合法制备的复合材料的力学性能和摩擦性能明显改善。 部分层状硅酸盐矿物各片层存在弱的负电性，层间离子可以被交换、层间距可以被增大，甚至可以被完全剥离成纳米片。这类层状矿物作为高效纳米填料应用于改性工程塑料，复合材料表现出优异的机械性能。 △高岭土 3、表面/界面性质对工程塑料机械性能的影响 非金属矿物主要由Si、O、Al、Mg等元素通过离子键组成，且表面具有丰富的羟基，为强极性材料；而工程塑料主要由C、H、O、N、S等元素共价键组成，大多结构对称且含大量亚甲基、苯环等疏水基团，通常表现出非极性或弱极性。因此很难将非金属矿物与工程塑料基体均匀混合，而出现填料团聚的现象，降低工程塑料的机械性能。因此对非金属矿填料进行表面改性，解决其分散问题是扩大其在工程塑料行业应用范围的一种有效手段。 但单纯对非金属矿填料表面改性，即使能使其均匀分散在高分子基体中，也很难实现将力学性能进行最大化改善，尤其是要达到超强增韧效果，就要求无机刚性粒子的模量E及泊松比σ与基体聚合物的E与σ有一定的匹配，否则难以起到超强增韧的效果。通常采用适量的第三组分来调节基体的模量与泊松比，使两者的E与σ更好地匹配后，体系在脆韧转变点附近表现出很好的韧性。 梁基照将纳米碳酸钙（n-CaCO3）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和相容剂苯乙烯马来酸酐共聚物（SMA）共混，制得PBT/PC/n-CaCO3复合材料，当相容剂添加量为2%时复合材料力学性能的综合效果最佳。 毋伟等用甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯双单体聚合包覆n-CaCO3，形成了核壳结构增韧复合微粒；再将制得的复合微粒在双螺杆挤出机中采用二次挤出法制备出PC/ABS/n-CaCO3复合材料。研究纳米碳酸钙复合微粒对PC/ABS合金力学性能的影响，表明n-CaCO3复合微粒具有无机纳米颗粒和弹性体双重协同增韧的作用，其表面的聚合物分子链与基体树脂起到嵌段增容作用。 要使层状非金属矿物呈纳米片均匀分散在工程塑料中，通常需要在共混加工前对其进行插层改性，使层间距增大，而有利于加工共混中聚合物进入层间。研究发现，利用具有热稳定性较好的聚合物季铵盐修饰蒙脱土可以很大程度提高有机土的热稳定性。 二、非金属矿填料对工程塑料加工性能的影响 工程塑料的主要优势是易成型加工，添加非金属矿物填料会对加工性能造成一定的影响，为降低成本而添加高含量、劣质填料通常会使加工性能变差，例如，磨损加工设备、塑化不充分造成挤出困难、流动性能恶化造成制品边缘缺陷、应力发白等问题。所以，添加适量高品质非金属矿填料会大大降低对加工性能的不利影响，甚至改善加工性能。 1、流动性能 流动性能是工程塑料加工成型的重要参数，工程塑料一般用于生产结构制件产品，使用最多的成型方式是注射成型，因此希望材料熔体的粘度低、流动性好，这就对非金属矿粉体提出了球形化的要求。 △球形硅微粉 2、结晶性能 结晶性能工程塑料加工成型的另一个重要参数，直接影响产品的力学性能和加工工艺的制定。 郭涛等研究了镧化物改性超细碳酸钙（UCaCO3-La3+）与有机羧酸钠盐成核剂（NA）对PET非等温结晶行为的影响。UCaCO3与La3+不同质量配比的填料都对PET具有很好的结晶成核性，特别是CaCO3/La3+=100/5制备的UCaCO3-La3+填料成核能力较NA更佳，且与纯PET相比结晶温度降低约5.4℃。 最近Energy Strategy Associates公司已向市场推出一款超细二氧化硅产品Nan-O-Sil ASD，称添加0.8%的该产品可以使尼龙、PBT、ABS等结晶工程塑料的模塑生产周期缩短20%～30%；使未填充的聚甲醛共聚物、聚苯硫醚、聚醚醚酮以及33%玻纤填充聚碳酸酯等材料，拉伸样条的注射成型周期缩短22%～31%；而力学性能一般能得到保持或改善。 三、非金属矿填料对工程塑料稳定性能的影响 工程塑料的使用环境多种多样，要满足某些特殊场合长期使用后性能仍达到要求，就需要考虑工程塑料的稳定性，如热稳定性、电稳定性、耐溶剂性、耐光热老化性。 1、热稳定性 李庆丰等研究了用熔融插层法制备了乙烯-1-辛烯共聚物（POE）/有机蒙脱土（OMMT）复合材料和马来酸酐接枝POE（POE-g-MAH）/OMMT纳米复合材料，发现加入有机蒙脱土后两种复合材料的分解温度、50%热失重温度和最大热失重速率温度都比各自的基体材料提高。 2、电稳定性 随着电气技术的发展，变频调速电机在现代电气工业中得到了越来越广泛的应用，但是变频装置对绝缘提出了更高的要求：绝缘不仅应该具有优良的耐热性能与机械性能，而且还要求具有更好的耐电晕能力。对此，国内外纷纷采用各种方法解决这一难题，其中利用非金属矿物对传统的绝缘材料进行填充改性，制备出一些耐电晕的工程塑料。 樊友兵等采用原位聚合方法制备了聚酰亚胺/纳米二氧化钛（TiO2）复合物，结果表明：纳米TiO2的加入导致纳米复合物的介电性能下降，原因在于金红石相纳米TiO2具有很高的介电常数；随着纳米TiO2含量的增加，复合材料的耐电晕能力迅速提高，在纳米TiO2含量含量为8%时，其耐电晕寿命相比纯PI薄膜提高了近10倍。 3、耐光热老化性 很多工程塑料制品需要在户外使用，经长期紫外线照射通常会加速树脂基体的老化反应，使制件的力学性能快速下降，外观颜色发生改变；添加具有高紫外吸收和遮盖能力的非金属矿填料是提高工程塑料的耐光老化性能的一种有效手段。 如云母粉可在聚合物中进行填充改性，并改变材料的电性能和耐热性能，增加制品的刚性。 四、非金属矿填料对工程塑料阻燃性能的影响 绝大多数工程塑料都是易燃材料，随着对防火阻燃性能的要求日益提高，工程塑料的阻燃问题已成了引人注目的研究课题。 在众多的阻燃体系中，采用反应型阻燃剂虽能获得稳定、毒性小以及对高聚物性能影响小的阻燃材料，但其工艺复杂、成本较高；采用有机添加型阻燃剂，往往又会带来阻燃产品的发烟、毒气释放等环境安全和使用安全性问题。 尽管非金属矿添加型阻燃剂相比以上两类阻燃剂存在添加量大、对力学性能损害较大的不足，但其具有热稳定性好、毒性低或无毒、不产生腐蚀气体、在储存过程中不挥发、不易析出、有持久阻燃效果等优点，并且原料来源丰富、价格低廉，在解决大量易燃工程塑料的阻燃以及低烟、低毒问题上，仍然是一种既简单而又富有实效的方法。 如果只使用非金属矿填料作为阻燃助剂，要使工程塑料达到较高的阻燃标准，添加量通常很大，这就对力学性能的保持带来了极大的挑战，因此将非金属矿阻燃成分与其他传统阻燃剂一起使用，往往能减少非金属矿填料对力学性能快速下降的不良影响，而且降低传统阻燃剂的不良影响是实现环保阻燃的一种很好的方法。 例如，纳米高岭土用于聚酰胺、聚酯等工程塑料的阻燃中，可以替代20%～30%溴系和三氧化二锑的用量，而不降低阻燃效果，并对体系的力学性能有所改善，在无卤阻燃体系中改善了阻燃效果并降低了成本。 五、展望 非金属矿物作为填料除降低成本外，还对改善工程塑料机械性能、加工性能、稳定性、阻燃性等方面表现巨大的应用潜力，这一点已经成为工程塑料改性加工和非金属矿填料深加工行业的共识。
除传统的滑石粉、碳酸钙、氢氧化镁、钛白粉（TiO2）等非金属矿填料的用量进一步加大外，纤维状非金属矿晶须的前期研究较深入，很多非金属矿物的晶须（碳酸钙晶须、硫酸钙晶须等）被陆续人工合成出来，一些品种由于生产工艺的改进已经实现了量产，可能会部分取代原来玻璃纤维增强的应用领域。 另外，一些之前处于基础研究或高端应用的层状非金属矿填料如蒙脱土，也慢慢进入国内工程塑料加工改性企业的选材目录，以期开发出高性能的新材料。 目前，由于国内加工改性企业数量多、规模小，且国内行业下游企业对高端产品积极性不高，大多数加工改性企业仍更倾向于选取低端非金属矿填料，以降低成本来争夺市场，这对工程塑料和非金属矿物行业的长期发展和技术升级不利。基础研究和产业推广相得益彰才能在新材料的开发上走得更远、走得更稳。 未来，由于全球汽车、电气和电子消费品、建筑行业继续快速发展，工程塑料行业需求将强劲增长。东北亚尤其是中国，仍然是全球工程塑料需求最主要的地区。非金属矿材料在工程塑料领域的市场前景将非常值得期待。 2018年中国非金属矿产业高峰论坛碳酸钙、石英、滑石、高岭土、膨润土、凹凸棒石、钾钠长石、硅灰石、重晶石、石墨、硅藻土、云母、珍珠岩、海泡石、萤石等非金属矿种下游应用专题技术报告：
来源：非金属矿物填料在工程塑料中的应用，作者：夏厚胜、李成、杨桂生 |
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