讓無機填料與聚合物基體更親密的秘訣~

在工業上廣泛可見這樣的應用場景，將無機粉體材料添加/填充到有機材料基體中，或起到降低成本，或起到增強有機材料原有“體質”的作用，或起到賦予有機材料新的技能的用途......

填料應用場景舉例

如氧化鋁、氮化硼可作為塑料填料，使塑料具有良好的導熱性能而且同時具有電絕緣性能；滑石粉可作為塑料填料，提高塑料制品的電絕緣性、抗酸性耐火性等；云母可作為塑料增強填料，提高塑料制品的彎曲彈性模量和拉伸彈性模量；高嶺土具有優良的電絕緣性能和一定的阻燃作用，可作為聚氯乙烯等聚烯烴絕緣電線包皮；石英對熱塑性樹脂和熱固性樹脂具有較高的補強作用，并且能提高材料的強度與剛度，對提高塑料制品的電絕緣性也能起一定的作用；金紅石型二氧化鈦作為塑料填料可增大光的反射率，起到光屏蔽劑的作用；赤泥、粉煤灰均為塑料填料，既可消除污染，又可降低塑料制品成本......

填料的應用，讓電線電纜更安全可靠

相容性不好后果很嚴重

然而，無機粉體材料一般是極性或強極性的親水礦物，與具有非極性的疏水的的表面的有機聚合物基體相容性差，如果直接將兩者混合那么在后續成型加工過程中，由于基體的冷卻收縮率大于無機填料，基體與填料的界面容易發生脫離，形成環隙或縫隙。其結果是，無機填料不僅沒有補強效果，反而由于材料的內部行成微孔而使其力學性能下降。對填料采取適當的表面處理，可以增強填料與基材的界面強度，發揮出復合材料的最大優勢。可用于填料表面處理劑有很多種，例如偶聯劑、高分子表面活性劑、有機高分子等，本文將大家簡單介紹在填充體系中使用量最多的“偶聯劑”。

常見的偶聯劑類型

什么是偶聯劑？偶聯劑是一類具有兩性結構的物質，它的分子中的一部分基團可與無機材料表面的化學基團反應，形成化學鍵合；另一分部基團則有親有機物的性質，可與有機分子發生化學反應或產生較強的分子間作用，從而可將兩種性質截然不同的材料牢固地結合起來。由于大多數偶聯劑對填料表面處理時都能發生化學作用，因此效果都非常好，可有效改善無機填料在聚合物基體中的分散狀態，提高填充聚合物材料的力學性能和使用性能。

偶聯劑按其化學結構可分為：硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑、鋯酸脂偶聯劑、雙金屬偶聯劑（鋁-鋯酸脂、鋁鈦復合偶聯劑）、稀土偶聯劑、含磷偶聯劑、含硼偶聯劑等。其中硅烷偶聯劑是人們研究最早、應用最早的偶聯劑，鈦酸酯偶聯劑最早出現與20世紀70年底，它對許多干燥粉體有良好的偶聯效果。下文將對生產中經常使用的偶聯劑及其應用情況進行簡單介紹。

1、硅烷偶聯劑

硅烷偶聯劑之所以這樣稱呼，是因為其中心原子是硅（Si），其分子結構為：R-Si-X3，式中R為疏水基，如乙烯基、環氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基等；X是能水解的親無機集團，如烷氧基，甲氧基，乙氧基及氯等。其添加量一般為填料的1%左右。

填料。硅烷偶聯劑可用于許多無機填料，其中在含硅酸成分多的玻璃纖維；石英粉劑擺攤黑種效果最好，在陶土和水合氧化鋁中次之，對不含游離水的碳酸鈣中效果欠佳。

基體。硅烷偶聯劑的有機基對聚合物的反應有選擇性，例如氨基可與環氧樹脂、酚醛樹脂、尼龍、乙烯基聚合物或一些熱固性彈性體反應，但多數硅烷偶聯劑由于結構中的反應性集團多，與填料表面的反應點多，而另一端的有機疏水基含碳原子數少，鏈短，因此在熱塑性塑料為基體樹脂的填充塑料中，采用硅烷偶聯劑往往對填充體系的加工流動性能帶來不利的影響，加之硅烷偶聯劑與其他中偶聯劑相比要昂貴的多，因此硅烷偶聯劑在聚乙烯中用量不多，而其主要應用于環氧或不飽和聚酯等熱固性塑料中。

2、鈦酸酯偶聯劑

根據鈦酸酯偶聯劑結構的不同，可大致將其可分為四類：單烷氧基型、單烷氧基焦磷酸酯型、整合型和配位體型。鈦酸酯的用量通常為填料用量的0.5%。

基體。鈦酸酯偶聯劑適用范圍廣，在熱塑性塑料、熱固性塑料及橡膠等填料體系中都具有較好的偶聯效果。

填料。鈦酸酯偶聯劑可以用來處理各種無機填料，如碳酸鈣、滑石粉、硫酸鋇及氫氧化鋁等。

3、鋁酸脂偶聯劑

鋁酸酯偶聯劑具有色淺、無毒、適用方便等特點，熱穩定優于鈦酸酯偶聯劑，價格僅為鈦酸酯偶聯劑的一半。鋁酸酯偶聯劑與鈦酸酯偶聯劑一樣，對體系填充量增加有益，可有效降低填充體系的粘度，改善樹脂的加工性能。

鋁酸脂偶聯劑的用量一般為填充體系中所用填料質量的0.3~1.0%，對于注射或擠出聚乙烯硬制品，用量為填料的1.0%左右。其他工藝制品、軟制品及發泡制品，用填料量的0.3-0.5%。使用高比表面的填料，如氫氧化鋁、氫氧化鎂、白炭黑等可用1.0%--1.3%。

4、其他偶聯劑

鋯類偶聯劑。這類偶聯劑不僅可以促進無機物和有機物的結合，還能改善填料體系的的性能，它的特點是能顯著降低填料體系的粘度，抑制填料粒子間的相互作用，從而提高填料在體系中的分散性和增加填充量。它對碳酸鈣、二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦及陶土等填充體系有良好的改性效果，主要應用于聚烯烴、聚酯、環氧樹脂，合成橡膠等不同的聚合物填充體系。

有機鉻類偶聯劑。這是一類比較比較成熟的偶聯劑品種，它是不飽和有機酸與三價鉻原子形成的配價型金屬絡合物，在玻璃纖維增強塑料中，具有較好的使用效果。有機鉻偶聯劑使用成本低，但品種單調，使用范圍和偶聯效果不及硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑，更重要的重鉻離子（生物毒性顯著的重元素）毒性會帶來環境污染，因此用量在減少。

5、復合偶聯劑

鋁鈦復合偶聯劑。以鋁代替了部分作為偶聯劑的中心原子，減少了偶聯劑價格較高的鈦的含量，是成本得以降低。它兼有鈦系、鋁系偶聯劑的特點，偶連效果優于單一的鈦酸酯、鋁酸酯以及兩者簡單的混合物。

鋁鋯酸酯偶聯劑。這類偶聯劑是含鋁、鋯元素的有機絡合物的低聚物，鋁鋯酸脂類偶聯劑具有價格低（約為硅烷偶聯劑的一半），應用效果好（具有良好的水解穩定性），熱穩定好的特點（可耐熱到300℃）。

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