近年隨著市場及技術(shù)應(yīng)用的需要，越來越多的無機(jī)礦物被添加到高分子聚合物中。如，將針狀硅灰石加入到PA、PP、PE、PVC、ABS、PS、PC等樹脂中，添加不同比例后，可明顯提高塑料制品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度，降低模塑收縮率和塑料制品翹曲變形，降低生產(chǎn)成本等。目前，越來越得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。
一、什么是硅灰石？
也許，很多人都不了解什么是硅灰石。硅灰石是天然的硅酸鈣（CaSiO3），主要成分為SiO2(50.9%)、CaO（46.9%）、FeO(0.55%)、Al2O3(0.25%)等，呈淺白色針狀結(jié)構(gòu)，是一種無毒、無味、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的惰性纖維狀礦物材料，可用于塑料的增強(qiáng)改性。
表1硅灰石的物理性能
化學(xué)式 | CaSiO3 | 熔點(diǎn)℃ | 1540 |
分子量 | 116 | 莫氏硬度 | 4.5 |
密度g/cm3 | 2.9 | 顏色 | 淺白色 |
熱膨脹系數(shù)℃ | 6.5×10－6 | 水分含量% | 0.5 |
折光指數(shù)% | 1.63 | 在水溶解度g/100mg | 0.0095 |
二、硅灰石在塑料制品中九大應(yīng)用特點(diǎn)
以硅灰石在PA6和PP改性為例來為大家講解硅灰石的應(yīng)用特點(diǎn)。
表2硅灰石在改性PA6中的應(yīng)用特性
檢測項(xiàng)目 | 硅灰石含量 | 樹脂 PA6 | ||
10% | 20% | 30% | ||
拉伸強(qiáng)度 Mpa | 69.8 | 73.2 | 80.0 | 65.4 |
斷裂伸長率 % | 14.2 | 9.61 | 5.62 | 64.5 |
彎曲強(qiáng)度 Mpa | 108 | 113 | 127 | 90.2 |
彎曲模量 Mpa | 2769 | 3422 | 4352 | 2577 |
懸缺沖擊強(qiáng)度 kJ/m2 | 6.2 | 6.1 | 6.9 | 7.5 |
密度g/cm3 | 1.2 | 1.26 | 1.34 | 1.14 |
模塑收縮率（縱）% | 1.18 | 1.10 | 1.01 | 1.33 |
模塑收縮率（橫）% | 0.89 | 0.65 | 0.62 | 1.16 |
熱變形溫度 ℃ | 132 | 138 | 177 | 105 |
表3 硅灰石在PP中應(yīng)用的檢測指標(biāo)
1.明顯提高彎曲強(qiáng)度及彎曲模量
在PA中加入30%硅灰石，彎曲強(qiáng)度及彎曲模量明顯提高。這主要是由于硅灰石的針狀結(jié)構(gòu)和剛性的特點(diǎn)，使其在片材、板材、薄膜、塑料制品等會有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
2. 提高拉伸強(qiáng)度
隨著硅灰石含量的增加，拉伸強(qiáng)度在增加，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，硅灰石的目數(shù)越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越好。
3. 提高熱變形溫度
加入30%硅灰石，熱變形溫度從105℃提高到177℃，增幅高達(dá)70℃。對于注塑制品，如各類燈具、耐熱零部件、電線電纜、薄膜、管材等，加入硅灰石，可大大提高耐熱性。
4. 改善刮擦性和耐摩擦性
硅灰石具有一種特殊的針狀結(jié)構(gòu)，物理機(jī)械性能獨(dú)特，可大大增強(qiáng)了成品的耐摩擦性、耐熱性。
圖1 左為硅灰石礦石圖；右為顯微鏡下觀察到的硅灰石結(jié)構(gòu)
5.提高尺寸穩(wěn)定性，降低收縮率及翹曲變形
PA、PP的收縮率在1～2%左右，而加入礦纖后，可明顯降低收縮率，在精密注塑零部件和大型塑料制品制造加工過程中加入適量的礦纖，可有效地保持塑料制品的尺寸穩(wěn)定性，還可縮短加工冷卻周期。
6.優(yōu)異的加工穩(wěn)定性和生產(chǎn)成型性能
無機(jī)材料粘度低，加工穩(wěn)定性好，在樹脂中加入一定量的無機(jī)材料，可有效降低加工粘度，改善生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，并有益制品的成型。
7.改善塑料制品的外觀
加入硅灰石，制品表面富于自然光澤，沒有玻纖外露情況，還可解決材料收縮缺陷、翹曲、彎曲等問題。
圖2 硅灰石廣泛應(yīng)用于PA、PP等塑料改性
8.改善吸水性能
硅灰石的性能穩(wěn)定，吸水率低，對于類似尼龍的樹脂，加入一定量的硅灰石，可有效降低塑料因吸水過高而導(dǎo)致產(chǎn)品物性下降，表面粗糙等現(xiàn)象。如圖所示：加入硅灰石后，PA吸水率降低，力學(xué)性能變化減緩。
圖3 用硅灰石填充的PA6在水中浸漬后性能的比較
9. 降低塑料的生產(chǎn)成本
礦物纖維（硅灰石）來源豐富，價(jià)格優(yōu)勢明顯，硅灰石在改善塑料制品性能的同時(shí)，可有效地降低生產(chǎn)成本。
三、硅灰石的六大應(yīng)用注意事項(xiàng)
1.喂料
盡量使用側(cè)喂料器，原因是硅灰石為針狀結(jié)構(gòu)，盡量不要破壞它的結(jié)構(gòu)特征。在比例高于30%時(shí)，可采用分步喂料，部分在主喂料器添加，部分在側(cè)喂料器添加。
2.硅灰石表面活化
經(jīng)過表面處理的硅灰石，可改善它與其他物料界面相容性，從而使之結(jié)合更牢固，進(jìn)而提高產(chǎn)品的性能。一般根據(jù)具體的需求，可選擇硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑或鈦酸酯偶聯(lián)劑等對硅灰石進(jìn)行表面處理。
表4 硅烷處理填料和填料用量對PA66復(fù)合材料物理性能的影響
性能 | 50%硅灰石 | 70%硅灰石 | 純樹脂 | ||
未處理 | 硅烷處理后 | 未處理 | 硅烷處理后 | ||
彎曲強(qiáng)度 MPa | 93.1 | 117.9 | 100.0 | 122.0 | 98.6 |
彎曲模量 MPa | 7446.6 | 7377.6 | 14272.6 | 15582.7 | 2206.4 |
拉伸強(qiáng)度 MPa | 54.5 | 55.2 | 52.4 | 66.2 | 64.8 |
拉伸模量 MPa | 9515 | 9170 | 19306 | 24063 | 2551 |
熱變形溫度℃ | 202 | 215 | 195 | 235 | 75 |
3.造粒工藝（溫度、扭矩、電流、剪切）
造粒時(shí)機(jī)頭溫度不宜過高，主機(jī)電流及螺桿扭矩不能過大，高溫高壓高剪切等因素，會使硅灰石白度下降（90-92），使顏色微變，此時(shí)可適當(dāng)調(diào)整溫度、減少剪切，盡量維持產(chǎn)品所需的外觀要求。
4.網(wǎng)帶風(fēng)冷傳送切粒工藝
當(dāng)?shù)V物纖維的添加比例較高時(shí)，網(wǎng)帶風(fēng)冷傳送切粒工藝也是提高產(chǎn)量，改善勞動強(qiáng)度的新技術(shù)
5. 母粒水分含量
嚴(yán)格控制水分≤0.5，實(shí)際生產(chǎn)可能會≤0.3，避免影響塑料加工和制品質(zhì)量，如出現(xiàn)氣泡、不規(guī)則裂紋等現(xiàn)象。
6. 硅灰石適用概況
從不同產(chǎn)品、不同粒徑的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明，800目~1500目可適應(yīng)大部分產(chǎn)品，且性價(jià)比較高。
硅灰石可明顯改善高分子聚合物的物理性能，擴(kuò)大塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域，礦物纖維與高分子聚合物的共混應(yīng)用是跨學(xué)科跨行業(yè)的新興技術(shù)和材料的“聯(lián)姻”，礦物纖維的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能賦與了高分子聚合物更優(yōu)良的性能。并且價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高分子聚合物的價(jià)格，而且可以高比例添加到高分子聚合物中，從而大幅降低生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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