市场推动下的塑料用功能填料和特殊添加剂

huang740914

市场推动下的塑料用功能填料和特殊添加剂

综述
" w  M# `# L1 x2 N/ ~2 {硅烷特殊添加剂——提高填料分散度
特殊添加剂——改善WPC填料、提高机械强度
$ A" k2 @9 E- U& Q* `功能性纳米填料对树脂物理性能的提高
) o0 O: O' L) c9 Q. |0 ^生物塑料PLA的包装增韧添加剂
导电和介电金属纤维功能性填料[/td][/tr][/table]

                               
登录/注册后可看大图

综述
塑料中所用的填料基本上可以分为两种：非活性（或添加物）填料和活性（或功能性）填料。填料在塑料工业中有着非常广泛的应用，并且填料现在的增长速度已经超过了树脂本身的增长速度。填料主要用于三类主要的聚合物当中（热塑性塑料、热固性树脂以及橡胶）。填料是许多聚合物产品的关键组成部分；因而填料市场既复杂又颇具价值（2008年在欧洲市场的价值为23亿欧元）。填料，尤其是无机类的材料，可以是天然化合物或者是经过合成得到的产品；并且不同的填料在价格和应用领域方面也各不相同。非活性填料主要用于降低成本；功能性填料则是为了使聚合物在性能方面发生特有的改变。因此，尽管不存在完全没有活性而仅仅可以用作降低塑料成本的填料，但是填料的使用仍然使得塑料化合物可以满足其对自身的所有要求。对于填料和添加剂的要求在很大程度上取决于塑料产品自身的需要，但是诸如市场驱动力之类的影响因素也是重要的，这些影响因素具体是指：（1）不断扩展的食物配送对改进包装的要求，（2）防火法规的变化，和（3）在汽车和电子配件行业等高温环境中材料的使用，以及（4）回收利用问题。
一直以来，塑料行业中科学技术的变化都在不断地推动功能性填料和特殊添加剂的发展。通常来讲，聚合物填充体系的性质取决于填料颗粒的尺寸、形状以及表面性质等因素。除了少数例外情况，通过向聚合物中加入一定量的填料对聚合物进行改性，可以在连续的聚合物基体相中形成含有填料的多相体系。相应获得的混合物具有独特的微观或宏观结构，并且形成对应的性能。使用填料的主要原因是可以对聚合物进行性能的改性或提高，降低总体成本，对加工性能进行改善或控制。填料几乎可以影响到聚合物的每一种性质，例如密度、收缩率、膨胀系数、导电性、渗透性、机械性能以及热性能等等。
: t# L( a9 p9 A* r. `& X配方设计师们首先必须注意到塑料所要获得的主要影响，然后对填料装载量、填料的混合物、其他添加剂等因素进行调整。常常，每种填料的选择不但取决于其化学组成还取决于颗粒的尺寸、形状和硬度等其他因素。固体颗粒和纤维材料可以被当作塑料中的填料来使用。碳酸钙、陶土、长石、硅土以及钙硅石是最主要的矿物填料。宽泛地讲，短切玻璃纤维（与哑光、连续型的粗纱织物相对应）以及实心玻璃、高分子小球、玻璃、金属闪光粉、空心微珠和碳纳米管等碳基材料也都被定义为填料。功能性填料方面最新的进展当中包含一些特殊纳米填料，这些纳米材料的使用旨在使材料具有期望的特定性能。在给定的体系当中，对材料的机械性能、电学性能或光学性能会形成影响的重要参数之一为填料的分散度。一些物理和化学因素可以影响到填料的分散过程，这些因素包括：填料聚集体的结构和粘性，填料的表面活性，聚合物和填料间的化学相互作用，以及聚合物向填料聚集体的任何的渗透行为。
/ s1 _! T/ W2 L! T5 |1 o* W% H( \( M

" F/ p$ q! B/ J                               
登录/注册后可看大图

硅烷特殊添加剂——提高填料分散度
/ Z9 z; m3 W" ~. ^$ H. j/ U由于无机填料和有机聚合物基体具有不同的极性，填料在聚合物中的分散受到了技术上的挑战。

登录/注册后可看大图 ( ?% t  I9 h. G2 ?8 m- G# zPlasti-Source / {/ J  p0 M0 h9 G(来源: PlastiSource)

硅烷可以作为优异的增容剂的原因在于它本身所具有的双重特性——在一个分子当中不但含有无机基团还具有有机基团部分。硅烷在性质方面所具有的一些明显的改善包括：粘度的降低、加工过程的改进、产量的增加、团聚程度的降低、填料装载量进一步的提高，以及总体成本的下降。

登录/注册后可看大图   h0 w2 I6 W+ i+ L: F* Y含有硅烷和不含硅烷的熔体流动速率(来源: PlastiSource)

+ _" \5 s  E7 m; n! c4 w                               
登录/注册后可看大图

特殊添加剂——改善WPC填料、提高机械强度
7 ~# B7 Q7 h7 l4 b0 W* E1 z6 N3 @. l由于我们希望可以使木塑复合材料（WPCs，Wood Plastics Composites）具有更好的结构承重性能，因而寻找用于提高木塑复合材料机械强度的添加剂成为了一个紧急的目标。各种偶联剂，诸如杜邦公司生产的用于PE/木材复合材料的DuPont Fusabond WPC-576D偶联剂将极性木材与非极性的聚合物粘结在了一起，显著提高了机械强度（冲击强度、拉伸强度和弯曲强度），但是与此同时也降低了材料的吸湿率。Fusabond WPC-576D是偶联技术应用的产物：具体而言是在乙烯基共聚物的骨架上掺入酐类官能团。对含有55%木质材料的高密度聚乙烯进行测试：Fusabond WPC-576D含量为0.5%的复合材料经过30天的时间后，吸湿率会下降三分之二，弯曲强度则变为原来的二倍，并且材料具有了更高的硬度。
) T! o7 G0 _, ]" `

2 M! ?! n7 Q0 j/ @1 r& C                                登录/注册后可看大图 ) E1 {6 {3 S% B& J高密度聚乙烯/55%橡木复合材料的吸水率下降图 (来源: 杜邦)

同时，偶联剂也有助于提高纤维的分散程度，从而有可能提高木质材料的含量。将使用过的废旧纸张进行回收再生所获得的纸浆纤维素可以作为木粉的替代品而使用。纸浆纤维素的热膨胀系数为零，并且由于其中不含木质素，这种纤维不会像木粉一样发生光致分解现象。滑石粉以及碳酸钙等矿物填料则可以在木塑复合材料（WPC）当中与木质纤维一起使用以提高材料的机械性能。WPC中的滑石粉可以提高弹性模量（modulus of elasticity，MOE）和断裂模量（modulus of rupture，MOR）、提高两种模量（MOE/MOR）的持久性、降低负载挠度、提高HDT、减少扭曲变形，以及改善蠕变和弹性回复性能。在木材工业中，材料的弯曲强度和硬度是与断裂模量（modulus of rupture，MOR）和弹性模量（modulus of elasticity，MOE）相关的。

                               
登录/注册后可看大图

功能性纳米填料对树脂物理性能的提高
向树脂中加入2-5%含量的纳米添加剂是一种新的提高树脂物理性能的重要方法。例如，纳米添加剂的加入可以使树脂具有改进的机械性能、更高的硬度和空间稳定性、改善的阻渗性能以及导电性。最为广泛报道并且第一次商业化了的两种纳米添加剂为纳米粘土（一种具有纳米尺寸的硅铝酸盐材料）以及碳纳米管。纳米粘土是一种在塑料纳米复合材料中广泛使用的纳米添加剂，并且由于自身具有较低的成本，因而显示出了最广阔的商业活力。两种添加剂都需要进行表面处理的化学改性，从而获得精细的分散度并且将与树脂偶联的优点最大化。其它正在使用的纳米添加剂包括：合成粘土、多面体低聚倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）、无机类的纳米管、硫酸钡纳米粒子、纳米硅，以及天然纤维（亚麻、大麻纤维）。
* y0 g; g9 s8 Y* K- _

登录/注册后可看大图 8 Q( C0 c( q) t- T碳纳米管的STM图样 (来源: Wright-Patterson AFB/代顿大学研究院)

9 Z$ N/ o* m& y  V1 \$ Q9 A

; q* j6 M. a  l# `+ M; G1 C                               
登录/注册后可看大图

生物塑料PLA的包装增韧添加剂
杜邦公司生产的“Biomax Strong”添加剂是一种乙烯基共聚物，该添加剂可以用于提高包装和工业应用领域中聚乳酸PLA的韧性。这类添加剂可以提高PLA的冲击强度、弹性以及熔体强度，但是对材料透明型的影响很小。将PLA与质量分数为5%的改性剂共混，可以维持与透明聚丙烯类似的透明度。当质量含量在5-15%之间时，材料则具有不同的半透明度，其半透明度与不透明聚丙烯的类似。

登录/注册后可看大图 , l& e3 f  J; L8 F8 s+ j# [ % S) }) [: _2 C# s- w8 }: N经Blomax Strong 100改性PLA2002的Spancer Impact(来源 杜邦)

; d: x# u" P" e5 Z  E9 B2 S! c5 w

9 P# o% s, N& u' L4 I  ~                                登录/注册后可看大图 5 }$ P# i* l- L9 T4 \- GBiomax Strong 100填充量为0-10%时，材料由透明到半透明的变化情况(来源: 杜邦)

杜邦公司包装&工业聚合物部以及Plantic技术有限公司（一家专门生产淀粉基生物大分子的澳大利亚公司）最近宣布了一项关于淀粉类生物材料的联合计划。两家公司将会一起合作开发和销售凭借Plantic技术制造的可再生聚合物。这项计划包括：联合研发新的具有可再生来源的树脂和以高直链玉米淀粉为原料生产的片材。除了共同开发这些新材料之外，杜邦公司将会推动Biomax系列产品中Plantic淀粉基树脂和片材产品的市场化和销售。
3 J5 {) I6 U/ l7 c4 h, J. j0 L. Pfile:///C|/Users/dell/Desktop/论文翻译%2010.10/plas/top.gif 导电和介电金属纤维功能性填料
! X$ x5 d" _& T+ L6 z+ C不锈钢纤维是一种可以在导电塑料中使用的非常有效的功能性填料。金属纤维是一种非常细的金属丝，直径范围在1-80微米之间。将金属纤维与人类的头发相比较，人类头发的直径在70到100微米之间。这些化合物可以使电磁波发生偏转和传导，从而使导电塑料具有更有效/更持久的屏蔽作用。数量很少的不锈钢纤维就可以满足材料相应的的电磁干扰（Electro-Magnetic Interference，EMI）和静电放电（ElectroStatic Discharge，ESD）的要求。不锈钢纤维的使用使得金属屏蔽作用对质量的增加较少、表面处理所需成本降低，并且可以通过一步成型的方法获得综合性的设计结果。电子设备屏蔽电磁干扰（EMI）能量的传统方法是安装薄的金属防护物或者使用导电涂料、进行化学沉积、抑或是进行真空镀膜。然而这些方法也有着自身的缺点。将金属屏蔽层安装到复杂的组合体当中是具有一定难度的，并且会增加装置的质量和厚度。这些是与设备轻型化、小型化和薄型化的发展趋势相违背的。尽管涂料、电镀和镀金属法会使设备的质量和厚度略微有所增加，但是上述方法仍然用于昂贵的二级操作当中。将短纤维和聚合物粘结剂结合起来，可以作为母料专门用于多种聚合物树脂中并且使得聚合物基体具有更好的分散性。

纤维的体积含量% 纤维的质量含量% 体积电阻率 屏蔽范围 ???? 0.25-0.5 4 > 102 ESD 保护 ???? 1 8 0.5-2 30-50 dB EMI 屏蔽 ???? 1.5 12 0.1-0.5 50-60 dB EMI 屏蔽 ???? >1.5 15 < 0.1 >60 dB EMI 屏蔽 + R. C2 N5 K8 ?% }3 C! Q金属纤维的ESD & EMI 性能 7 J/ Q# {& ~& L2 w. z5 d) V  W6 _& N(来源: PlastiSource)

李子

支持，其实橡胶也在使用新型材料与助剂还改善性能与功能！

varco

学习学习肯定没坏处