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塑料助剂基础知识:力学性能改性剂的应用

发布日期:2023/2/16 15:10:32 访问次数:432

一、在热塑性塑料中应用填充剂的准则
当使用填充剂时,必须考虑各个方面许多的问题,例如,最佳的粒度分布曲线,在
填充剂表面可能有的催化活性,分散性及与塑料基体的结合,填充剂在加工设备中的摩
擦作用,配合料的性能,粉尘等引起工业安全问题以及成本等。
填充剂和 (或)增强剂的一个重要的判断准则是成本。只有当与未增强的基础聚
合物相比,力学性能有明显提高,成本有所下降,或者用其他方法不能达到指定的综合
性能时,才能认为增强聚合物是合理的。表 3-67列出了对填充剂和增强剂性能的要求,
以及它们对复合材料性能的影响。
表 3-67 填充剂、增强剂对复合材料性能的影响
复合材料要满足的要求
对填充剂、增强剂性能的要求
复合材料的制备
配料前填充剂的储存
吸湿性低,表观密度高
最佳配料
平均粒度,与整个聚合物基体有良好的可润湿性,无静电,分散性好,增
强纤维不缩短
在配料过程中粘度低
粒子尽量圆,比表面小,吸收率低,表面能低
高速配料
比热小,导热性高
复合材料的加工
收缩小
内应力低
无裂纹
脱模较快
比热小,导热性高,热膨胀小,填充剂在基体中分布均匀,增强剂和塑料
间有良好的粘附
在加工设备中无磨损问题
硬度低,粒子小而圆,任何可能使用的表面处理剂都有良好的热稳定性
复合材料的性能
力学性能
拉伸强度和伸长率高
强度比基体高,在纤维增强情况下,长径比大,填充剂-基体粘附好,在
基体中分布良好
挠曲强度高
与拉伸强度高的要求相同,重要的是制品要有光滑的表面
压缩强度高
可压缩性低,对于部分结晶的聚合物,填料粒子要小而圆
弹性模量高(劲度高)
在纤维状或层状增强剂情况下,长径比大,弹性模量比基体高,高取向,
与其体粘附好
冲击强度高
长纤维,与聚合物基体的粘附不要太好
长期行为好(疲劳强度高)
粒子-基体永久结合,填充剂中无腐蚀性杂质,小而圆的粒子使制品有
光滑的表面
硬度高
硬度高,粒度分布适合于获得高填充密度,在部分结晶聚合物中有成核
低摩擦和良好的滑动性
硬度低,滑动性好(形成滑动膜)
密度高
密度高,填充性好
热性能
热变形温度高
热稳定性好,其他性能与拉伸强度下的要求相同
耐热冲击性高
导热性好,填充剂-基体接触良好
热膨胀小
热膨胀系数小,各向异性,粒子硬,与基体粘附好
耐焰和耐灼热性好
化学成分合适,导热性好,热稳定性高
电性能
损耗因数低
介电常数合适,绝缘性好
含湿量与增塑剂吸收低,与基体粘附好,有合适的电性能、绝缘性,在部
分结晶聚合物中有成核作用
化学性能
耐化学性高
有合适的化学成分
耐候性好
耐光性高,耐化学性,耐水性好,与基体永久结合
吸水性低
吸潮性低,与基体永久结合
透明性好
折射指数合适
遮光性好
化学成分合适
表面质量高
填充剂粒子小,呈圆形或层状
最大可能的填充度
粒子的形状,粒度和分布适宜,单位体积填充剂的成本低
加工成本低
见复合材料的制备
二、在热塑性塑料中的应用
(一)聚乙烯
1.低密度聚乙烯 (LDPE)
低密度聚乙烯主要用于要求材料在低温下也有极好的韧性或高形变能力的场合,然
而,这些性能或多或少也要受到填充剂的影响。
和高密度聚乙烯 (HDPE)一样,LDPE通常在不填充的状态下使用。LDPE用填充
剂必须满足的要求与 HDPE相同。
低密度聚乙烯使用的填充剂有以下几种:
(1)碳酸钙 用碳酸钙填充的 LDPE比热容低,导热性高,因此使挤出和注塑具有
较高的生产能力,并使制品的硬度、劲度、热变形温度、抗滑性和耐应力开裂性提高,
使可焊性、印刷性和防粘连性改善,也使熔体指数、收缩率、伸长率、透水蒸气性和透
氧性降低。碳酸钙对 LDPE的光氧化性没有不利的影响,且可以降低二氧化钛的用量。
(2)滑石/云母 加入滑石可以在相当宽的温度范围内保持绝大多数的力学性能,
对电性能有好处。云母的加入可提高材料的刚性、热变形温度、阻燃性。
(3)玻璃纤维 加入 20%的玻璃纤维可使 LDPE的刚性提高,收缩率减小。玻璃
纤维通过碱处理可以改进对基体的粘附性。
(4)石棉 含 20% ~40% (质量分数)的石棉特别能提高挠曲强度和热变形温度。
(5)炭黑 当材料通过辐射交联时有增强作用。它是有效的光稳定剂,能提高导
电性。
(6)硅胶 提高热变形温度,以防粘连。
(7)硅灰石 提高冲击强度,有较好的电性能和热性能。
(8)氢氧化铝 阻燃。
2.高密度聚乙烯 (HDPE)
由于 HDPE结晶性高,因此这种材料在低温下的强度受填充剂的影响要比 LDPE

大。和所有非极性聚合物一样,关键因素是填充剂和基体之间的粘附。采用带排气口的

挤出机能方便而明显地改进粘附作用和力学性能 (弹性模量、冲击强度)。
高密度聚乙烯用的填充剂和增强剂有以下几种:
(1)玻璃纤维 玻璃纤维是最常用的增强剂,但遗憾的是有前面提到的粘附问题。
后来通过硅烷处理得到了解决,也使弹性模量和收缩得到改善。当存在有 30% (质量
分数)玻璃纤维时,热变形温度可提高到 108°C,而未增强材料为 50°C。
(2)碳酸钙 一直以来,矿质填充剂还仅限用于仿纸薄膜。然而,吹塑制品现在
也用碳酸钙作填充剂生产,其优点在于制品有较的劲度,同时由于比热容降低、导热性
提高 (冷却较快)而使生产能力较高。此外,在 LDPE中使用碳酸钙具有的全部优点,
如印刷性较好等,在 HDPE中也有。
与绝大多数其他填充剂相比,使用表面涂覆的碳酸钙特别能获得较高的冲击强度,
而熔体指数、伸长率、抗撕裂蔓延强度、收缩率、应力开裂和冷流由于有了填充剂都趋
于降低。
(3)滑石/高岭土 与白垩相比,硅酸盐给予 HDPE以较高的拉伸强度和劲度。
(4)炭黑 提高导电性和光稳定性。
(5)木粉 改进消音性。
(6)重金属粉末 防护中子和 γ射线。

(二)聚丙烯 (PP)
使用了填充剂和增强剂的 PP使得其有可能在高温下也能具有高的耐化学性和耐应
力开裂性,并且在室温下有较高的劲度。温度为 0°C以下的 PP的脆性增加,而用了填
充剂后则更进一步加剧。在此情况下,丙烯与乙烯的共聚物具有较高的冲击强度,同时
在基体和填充剂或增强剂之间具有更好的粘附,因此增强剂主要在共聚物中发挥作用。
填充剂的纯度十分重要,不应含有如铜、锰或钴等重金属,如果有的话量要很少,因为
它们通常对热稳定性有不利影响。根据用途,使用了增强剂或填充剂的聚丙烯需要稳定
化处理,以防止紫外线起不利的作用。
和绝大多数热塑性塑料一样,PP使用增强剂后,劲度、弹性模量、挠曲模量、弯
曲蠕变模量、硬度、受热下的尺寸稳定性、断裂拉伸应力、拉伸强度、压缩强度、尺寸
稳定性、密度、交变弯曲强度、导热性和熔体强度等性能均有所改进,但是伸长率、无
缺口冲击强度、缺口冲击强度、蠕变倾向、收缩、热膨胀、耐磨性和熔体指数等通常都
有所降低。
聚丙烯用的填充剂和增强剂主要有以下几种:
(1)玻璃纤维 在美国,玻璃纤维增强 PP在所有增强热塑性塑料中最为重要。玻
璃纤维增强的主要优点在于在较宽的温度范围内 PP具有高的拉伸强度、劲度和改进蠕
变行为。增强 PP一般使用切碎的长玻璃纤维或短玻璃纤维。短玻璃纤维以高韧性和兼
有良好的劲度而著称;长玻璃纤维在使用偶联剂时尤其能提高高温下的拉伸强度和扭曲
劲度,并有较好的蠕变强度和挠曲劲度。一般说来,使用偶联剂可以改进力学性能,提
高疲劳强度,并且有良好的长期性能,如较高的弯曲蠕变模量。玻璃纤维增强的缺点在
于其有取向作用,降低冲击强度,使得制品表面无光和加剧加工设备的磨损。
(2)玻璃球 它在 PP中不常使用,但它可使其在高温下具有较高的劲度、较好的
压缩强度和尺寸稳定性。
(3)石棉 石棉使 PP具有较高的劲度,但和滑石相比,蠕变倾向较为明显,但劲
度可能要比玻璃纤维增强更高些。在各种石棉中,只有温石棉和直闪石适于使用。使用
石棉的 PP取向问题一般没有玻璃纤维增强剂那么大,但 PP必须针对石棉中所含的重
金属再稳定化。
(4)木粉 隔音性良好,用 40% ~60% (质量分数)木粉填充比用滑石粉填充好。
(5)硅灰石 它吸湿性低、冲击强度高、电性能和热性能良好。
(6)氧化锌 它有防护紫外线和微生物的作用,能提高导热性。
(7)增强纤维 聚酰胺和聚酯类纤维能提高 PP的断裂拉伸应力和冲击强度。
(8)金属粉末 热变形温度高,能提高其导电性。
(9)云母 40% (质量分数)的云母能和 30% (质量分数)的玻璃纤维产生同样
的劲度,而成本却较低。加入氯化石蜡能大大改进与基体的粘附。
(10)滑石粉 在 PP用的增强剂和填充剂中,滑石粉的改性效果更好。滑石粉是
传统的填充剂,由于层状结构的关系,能给于 PP较高的劲度,并提高热变形温度和尺
寸稳定性。一般来说,除了降低其成本之外,和碳酸钙一样,劲度较高允许减小制品的
壁厚,提高加工设备的操作循环速度。蠕变行为和弯曲蠕变模量也比填充同量石棉或短
玻璃纤维者好。
滑石是良好的成核剂。含 40% (质量分数)滑石的 PP,其扭曲劲度要超过加 30%
(质量分数)长玻璃纤维者。
PP填充滑石的缺点是降低低温下的冲击强度,并使断裂拉伸应力较低,制品表面
无光,损害焊接性能,对热氧化稳定性有不利影响。
(11)碳酸钙 碳酸钙作为 PP填充剂在很多方面有和滑石同样的优点。在同样的
填充度下,虽然不能达到同样高的劲度,但冲击强度要高得多。碳酸钙作为填充剂
(包括涂覆剂)在以下方面优于滑石:较易分散、熔体指数较高、紫外光稳定性较好。
由于完全没有石棉,制品表面较好,可用于接触食品,对加工设备的磨损较小。
在注塑中,使用碳酸钙可在较短的注塑循环时间内 (导热性较高)生产出具有较
高劲度和尺寸稳定性的制品。在 PP薄膜中,填充剂可改进深度撑压性;在 PP绳索和
带材中,使用填充剂可以避免出现不希望有的绞合,同时在挤出机模头中有清理作用。
用碳酸钙填充的 PP可以作为聚苯乙烯和 ABS的廉价代用品,在无规 PP中也经常
使用碳酸钙 (地毯加衬)。
(三)聚氯乙烯 (PVC)
PVC的大部分为无定型的热塑性材料,加工方法多种多样,具有广泛的应用领域。
PVC和聚乙烯一样,属于最常用的热塑性塑料。通过改变聚合物中增塑剂、稳定剂、润
滑剂和填充剂的用量,可以在大范围内改变最终产品的性能。
在 PVC中使用填充剂通常是为了降低成本 (增量剂),因为除了冲击强度和电性能
外,其他性能并没有改善。在电缆工业上,在 PVC中使用填充剂的目的是为了在尽可
能经济的情况下获得必要的性能。
1.增塑 PVC
用于增塑 PVC的填充剂和增强剂主要有以下几种。

(1)天然碳酸钙 从用量和用途来说,天然碳酸钙是热塑性塑料中最重要的填充剂。

高质量、高分散级的白垩 (主要成分是碳酸钙)平均粒径为 1~1.5μm,上限为 5~10μm,
完全不含粗粒子和有磨损性的硅胶。增塑 PVC经天然碳酸钙填充有以下好处:
1)分散性好,特别是涂覆产品。
2)对力学性能影响轻微。
3)使用比表面积小的表面涂覆产品可减少对增塑剂和添加剂的吸收。
4)化学纯度高,不含对老化性能有催化作用的重金属。
5)提高产量,改进制品表面 (特别是通过使用涂覆白垩牌号),润滑剂需用量降低。
6)部分代替昂贵的白颜料。
7)白垩起氯化氢受体的作用。
8)改进耐老化性,提高热变形温度和耐水性。
9)改进电性能和介电性,因为使用白垩可减少增塑剂用量。
10)减少收缩和表面附层,提高劲度。
11)改进干料操作,防止粘附到压延辊上。
12)与其他填充剂不同,微粉白垩牌号在加工设备中造成的磨损可以忽略。
13)储存稳定性好。
14)降低最终产品成本。
经表面处理的研磨碳酸钙对加工性有利,并能提高电性能。因此,电缆工业属于白
垩最重要的应用领域之一。对碳酸钙作表面处理常常能产生与稳定剂的协同效应,因
此,可以提高热稳定性,降低稳定剂的用量。
(2)高岭土 高岭土和研磨白垩一起主要用于电缆工业,因为它能提高电缆专用
料的比电阻。另外,软高岭土还用在地板覆盖材料和家用制品中。高岭土主要缺点之一
是对增塑剂的吸收作用大。
(3)石棉 温石棉和白垩一起用于地板覆盖材料,可提高强度、硬度和热稳定性,
且耐磨性要比角闪石类石棉好,但需要另外加稳定剂。
(4)炭黑 炭黑为唱片用填料,可大大改进绝缘性能,防护紫外线辐射。
(5)硅酸盐 合成硅酸盐在电缆工业中起离子清除剂的作用,另外,还能减少表
面附层和粘连。
(6)氢氧化铝 提高阻燃性,特别适用于编织地板覆盖材料的背面涂层。
(7)滑石 和硅灰石一样,主要用于 PVC石棉地板覆盖材料。
(8)白云石 用途同研磨白垩。
(9)铁酸钡 用于磁性密封件。
2.未增塑 PVC
用于未增塑 PVC的填充剂和增强剂有以下几种。
(1)天然碳酸钙 和增塑 PVC一样,用于未增塑 PVC的主要填充剂是天然白垩,
但所用的只是粒度很细和经表面处理的牌号。最近的研究表明,加入冲击改性剂可以大
大提高填充剂的用量。氯化聚乙烯和其他能提高冲击强度的助剂可以使填充剂用量达到
100份 (重量)白垩对 100份 (重量)PVC。
使用涂覆白垩可以提高劲度、降低收缩、减少表面附层,与未填充 PVC相比,缺
口冲击强度提高,耐老化性和热变形温度得到改进,可挤出性提高,并使单位体积产品
的价格降低。
(2)沉淀碳酸钙 沉淀碳酸钙主要用于未增塑 PVC。但是,由于这种填充剂的粒
度小,因此导致在加工设备中的扭矩提高,使得可能加入的填充剂体积比研磨白垩牌号
低得多。沉淀碳酸钙能改进表面质量、色调、白度、表面光泽和表面附层,提高弹性模
量,但其他力学性能不受很大的影响。
除了在增塑 PVC中所提及的填充剂外,下列产品也可以用于未增塑 PVC。
(1)玻璃纤维 它是 PVC注塑制品的增强剂,可冷成型玻璃纤维增强片材。
(2)滑石 能提高弹性模量,挠曲强度和拉伸强度较高,但会降低断裂伸长率和
低温下的冲击强度。
(3)木粉 作刨花板用贴面片材、片材、型材。
3.PVC增塑糊
(1)天然碳酸钙 在涂布、蘸涂糊及 PVC泡沫塑料中粒度分布好。增塑剂吸收少
的研磨石灰石和大理石粉 (两者的主要成分都是碳酸钙)都很重要,它们使增塑糊固
结、密实,改进与基材的粘附并提高结合强度。最简单的方法是加入不同百分比的磨得
极细并经涂覆的微晶白垩,调出所要求的触变性。
(2)硅酸盐 使用合成硅酸盐可以使表面消光,改进涂布糊的渗透作用和提高触
变性。
表 3-69列出了填充 PVC制品的各种配方。表 3-70列出了填充未增塑 PVC模塑料的
性能。
(四)聚苯乙烯 (PS)
未改性的通用级 PS是无定形、硬而脆的塑料,具有良好的电性能、耐老化性和高
的尺寸稳定性,但是脆性高,对环境应力开裂敏感。由于这些性能不能通过填料或增强
剂得到改善,因此,PS中的填料使用至今仍停留在低水平上。
聚苯乙烯使用的填充剂和增强剂主要有:
(1)玻璃纤维 玻璃纤维可用于能充分提高强度、硬度和尺寸稳定性,而冲击强
度 (下降)不是重要因素的应用领域。使用 30% (质量分数)的玻璃纤维可使挠曲模
量提高两倍,并使力学性能有所改善 (脆性和冲击强度除外)。除了通用级 PS外,玻
璃纤维也用于增强抗冲 PS,在发泡 PS和冲击改性 PS中使用玻璃纤维同样能改善物理
性能。
(2)玻璃球 在 PS中填充玻璃球可产生较高的劲度 (特别是在提高温度的情况
下)和较高的抗压缩性,并改善常温和受热下的尺寸稳定性,但结果会降低冲击强度
和促使生成裂缝。
(3)石棉 有良好的加工性、尺寸稳定性和阻燃性。
(4)碳酸钙 是增量剂填充剂,也可以在发泡 PS中用作成核剂。
(5)滑石 可提高冲击强度,调节流变性。
(6)氢氧化铝 可提高阻燃性。
通过与弹性体接枝共聚合可改进通用级聚苯乙烯的缺点 (如脆性高、对环境应力
开裂敏感)。以下这些增韧改性材料比较适合于作填充剂和增强剂的基体材料。
1)苯乙烯-丙烯腈共聚物 (SAN)。用玻璃纤维增强 SAN与未增强的材料相比,强
度大有改进,破裂倾向降低,并使断裂伸长率减小。现在人们也在用玻璃球作 SAN的
填充剂。
2)丁二烯-苯乙烯-丙烯腈共聚物 (ABS)。玻璃纤维增强 ABS能使挠曲强度提高 3
倍,弹性模量也大大提高。现在市场上已有特殊的吹塑用玻璃纤维增强牌号及 ABS结
构泡沫塑料。ABS用玻璃球作填充剂可改进高温下的劲度,并获得较高的压缩强度和较
好的尺寸稳定性。
在日本,使用高达 30% (质量分数)的白垩生产遥控机械装置部件,可以在不明
显降低冲击强度的情况下改进 ABS的力学性能。
某些增强 SAN和 ABS的性能也列于表 3-71中。
(五)聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)
玻璃纤维是增强 PMMA最常用的材料。用玻璃纤维增强 PMMA,可以生产出具有
高强度的模塑制品,它在 100°C下仍具有良好的力学性能。如白垩、高岭土、重晶石等
矿质填料可减小收缩,提高硬度、密度、弹性模量和受热下的尺寸稳定性,而力学性能
一般没有改进。在生产照明广告牌的不透明配方中也用到白垩。增强 PMMA的某些性
能数据列在表 3-71中。
(六)聚酰胺 (PA)
在工业上特别注重利用这类塑料的韧性和耐磨性。聚酰胺一般较硬,类似角质,不
透明,具有良好的耐磨性和高的尺寸稳定性。这些性能可以用填充剂或增强剂加以改
进,但是,填充剂对吸水性的影响程度很有限。
在所有的聚酰胺中,聚酰胺 66的硬度、劲度、耐磨性和热变形温度均最高,聚酰
胺 11冲击强度最高,吸水倾向虽比聚酰胺 12略高,但总体来说仍算较低,而聚酰胺 6
(聚酰胺 6是通过阴离子聚合制备的)则以其较高的韧性而著称。聚酰胺 610的特点是
吸水性较低,尺寸稳定性较高。此外,以聚酰胺 6为基础的聚酰胺铸塑树脂韧性好,很
硬。
在各种填充剂和增强剂中,那些靠纤维状或层状结构能提高聚酰胺性能,或能改进
耐磨性者最为重要。与金属相比,未填充聚酰胺的某些性能较差,即弹性模量低、拉伸
和蠕变强度较低、力学性能与温度有明显的依赖关系、热膨胀和吸水性高,不过这些性
能通过玻璃纤维增强剂能大大改善。
用于聚酰胺的填充剂和增强剂有:
(1)玻璃纤维 在玻璃纤维增强聚酰胺中,聚酰胺 6和聚酰胺 66的玻璃纤维用量
达 50%,聚酰胺 610、聚酰胺 11和 12用量为 30%,它们代表了最重要的增强树脂牌
号。
玻璃纤维增强 (用量为 30%)使聚酰胺的性能产生下列变化:
1)弹性模量提高 3倍,拉伸强度提高 2倍,拉伸应力提高 4倍,挠曲应力 (劲度)
提高 3倍,莫氏硬度提高 1.5倍,劲度随纤维长度增加而提高。
2)蠕变强度大有改进,蠕变速率降低。
3)降低比热容 (循环时间较短,热变形温度较高,马丁耐热温度提高了 100°C)。
4)热膨胀系数较低,接近铝和锡合金的水平。
5)吸水性较低,弹性模量与水含量的关系较小。
6)耐老化性较好。
7)当接触热水时,水解稳定性较好。
玻璃纤维增强的缺点是有一定的各向异性、变形 (由于纤维取向、收缩不一致)
和对加工设备的磨损。在短纤维增强聚酰胺中,这些问题一般要比使用长纤维的小些。
(2)玻璃球 在聚酰胺 66和聚酰胺 12中使用达 50% (质量分数)的玻璃球,能
改进拉伸强度、挠曲强度、断裂伸长率,冲击强度和热变形温度,磨损的风险也比用玻
璃纤维者小。玻璃球可使各个方向上的收缩均匀,公差减小,并具有良好的磨耗行为和
平整的表面。
玻璃球经表面涂覆,一般也能与玻璃纤维并用,以提高缺口冲击强度。
(3)碳纤维和石墨纤维,炭黑和石墨 在聚酰胺 6中可以使用 20% (质量分数)
的碳纤维,聚酰胺 66、聚酰胺 11和聚酰胺 12中可达 40% (质量分数)。碳纤维增强对
性能有以下好处:
1)密度的增加比用玻璃纤维者小。
2)弹性模量是用同量玻璃纤维增强的两倍。
3)挠曲强度、拉伸强度、劲度和室温下的蠕变行为可与锡、铝或镁相比拟。
4)和玻璃纤维相比,滑动性能较好,对加工设备的磨损较小。
5)改进导热性和电性能。
用碳纤维作增强剂的缺点是对冲击强度有损害,另外,这种纤维仍然很贵。
石墨和炭黑的用量一般只在 5%以下。
(4)氧化硅 拉伸应力大大提高,挤出性改善,并能得到平滑的表面。
(七)聚碳酸酯 (PC)
聚碳酸酯是无定形的芳族聚酯,具有优良的硬度、透明性、拉伸强度和韧性,尤以
低温下有高韧性而著称。它的玻璃化转变温度 (Tg)高达 150°C,这正是其能用于工业
机械方面的主要因素。由于在实际使用时温度不宜超过 Tg,因此这种材料的最高使用
温度为 115~140°C左右。虽然聚碳酸酯不结晶,但在 Tg以上有可能出现有序的取向状
态。这种取向可用成核剂加以改进,并且也能出现在基体-增强剂的界面上。
增强聚碳酸酯适于制作承受高静态负荷,且在尺寸精度、尺寸稳定性和热变形温度
方面有高标准要求的零件。在特殊增强牌号产品中,用玻璃纤维增强的牌号在无线电、
录音机、电视、照相机等各类家用电器中确立了重要的地位。
用于聚碳酸酯的填充剂和增强剂主要有:
(1)玻璃纤维 在热塑性塑料中,聚碳酸酯是继聚酰胺和聚烯烃之后,玻璃纤维
增强剂应用的第三大领域,其中主要是使用短玻璃纤维。玻璃纤维经硅烷处理可以改进
其粘附性。无碱玻璃在纤维和基体之间有较好的粘附作用。玻璃纤维增强聚碳酸酯用于
注塑或层压,增加纤维长度通常能够大大提高劲度。
与未增强的塑料相比,用 10% ~40% (质量分数)玻璃纤维增强的聚碳酸酯在性
能上有以下改进:
1)在较低伸长率下,拉伸强度提高 1倍;30% (质量分数)的玻璃纤维使弹性模
量增加 1倍,硬度、压缩强度和劲度提高。
2)线性热膨胀系数降低到 1/3,比热容下降,热变形温度提高 10°C。
3)用 30% (质量分数)玻璃纤维增强的聚碳酸酯能代替非铁金属材料或热固性塑
料。
4)常温下的尺寸稳定性较高,受热时的蠕变强度和尺寸稳定性较高。
5)交变弯曲强度提高,达到了未增强聚缩醛的水平。
6)蠕变倾向和冷流减小,收缩和对环境应力开裂的敏感性较低。

7)电性能和耐焰性改进。

用玻璃纤维增强的聚碳酸酯的缺点是缺口冲击强度降低和密度提高,增加填料含量
对提高热变形温度作用也不大。
最近已经出现了玻璃纤维增强的聚碳酸酯和 ABS,即所谓的共混聚合物。
(2)石墨纤维 在美国推出的含 10% ~50% (质量分数)碳纤维的增强材料还没
有被市场接受。
(3)二硫化钼、聚四氟乙烯、石墨加入 15% ~20% (质量分数)的量可使磨损最
小,并使磨耗行为大大降低。
(4)矿物质纤维、石棉 它们通常和玻璃纤维并用。在聚碳酸酯中掺入达 30%
(质量分数)的石棉,可以得到高的劲度和良好的阻燃性。
(5)硅灰石 用于提高劲度。
(6)金属粉末 铝粉用于提高耐化学性和导电性。
(八)聚甲醛 (POM)
甲醛聚合得到的聚甲醛具有工业意义。高结晶的 POM是具有高硬度和良好尺寸稳
定性的韧性材料,主要用于滑动元件、轴承、机器零件等工业用途。POM良好的回弹
性在技术上也具有重要意义,但加入填充剂会使之下降。POM本身劲度较高,通过使
用填充剂可以使其劲度得到进一步的提高。
POM用的填充剂和增强剂主要有:
(1)玻璃纤维 由于 POM对热应力和氧化应力的作用敏感,因此,一般只能在短
时间内利用加填充剂的方法提高热变形温度,最高使用温度略高于 100°C。玻璃纤维增
强是最为重要的方法,且长玻璃纤维和短玻璃纤维两者都可使用。通过使用偶联剂可进
一步提高玻璃纤维改进拉伸强度和劲度的效果。和未填充的 POM相比,用量为 20% ~
30%的玻璃纤维增强剂可提高拉伸强度 (2倍)、挠曲模量 (2~3倍)、断裂拉伸应力
(2倍)、硬度、劲度及密度。玻璃纤维增强的 POM可代替锌、黄铜和铝的铸件。人们
把它用于对下列性能具有重要意义的应用场合:劲度、硬度、在室温和提高温度下具有
良好的蠕变行为、吸水性低、尺寸稳定性高、膨胀系数低。
玻璃纤维增强剂对这些性能影响很大。玻璃纤维增强剂的缺点是韧性和缺口冲击强
度降低,且单位体积的价格较高。
(2)玻璃球 POM可以填充多达 80% (质量分数)的玻璃球。与未填充的材料相
比,加工条件不一定要作大的改变。
POM制的轴承材料使用二硫化钼、氟塑料和白垩比较合适,这可大大改进滑动性
能和磨损行为。PTFE也可以以纤维形式使用,它可使摩擦系数比之用 MoS
2或石墨者更
低。
(3)其他填充剂和增强剂 少量应用的还有炭黑,用于提高紫外线稳定性。铝或
青铜之类的金属粉末可用于提高受热下的尺寸稳定性和导电性。
增强 POM的某些性能见表 3-71。
(九)聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)和丁二醇酯 (PBT)及芳香族聚酯 (APE)
这些饱和聚酯的滑动及磨耗行为、尺寸稳定性和蠕变强度对于工业应用具有特别重
要的意义,其蠕变强度超过聚酰胺或聚缩醛。
PET以无定形、部分结晶 (结晶度 30% ~40%)和填充料的方式供应市场。芳香
链段可使 PET链的活动性大受限制,使结晶速率减慢,导致在注塑过程中产生问题,
不过这些问题可以通过使用纤维填充剂得到解决。增强聚对苯二甲酸乙二醇酯和丁二醇
酯的主要应用领域是仪器和机械工程。
用于 PET和 PBT填充剂和增强剂的主要有:
(1)玻璃纤维 玻璃纤维填充剂可改善性能,如有效地提高劲度、强度 (如冲击
强度)、热变形温度、耐水性、长期使用性能、电性能和耐蚀性 (浓酸、浓碱除外),
以及使得蠕变较低,在用作导轨和轴承元件时,具有较好的滑动性和耐磨性。但流动
性、韧性、收缩、热膨胀和表面光泽随玻璃纤维含量提高而降低。
(2)玻璃球 使用 20% (质量分数)的玻璃球可降低其变形倾向。与玻璃纤维增
强者相比,表面硬度高,各向同性收缩,表面良好,设备磨损较小。
(3)矿物质纤维 石棉和云母在电气工业中属于特殊用途的填充剂。虽然硅灰石
能提高其强度,但由于比表面大,因此大大降低熔体指数。玻璃纤维和云母或硅灰石并
用可提高韧性和降低变形。
表 3-73列出了增强聚对苯二甲醇乙二醇酯和丁二醇酯的最主要性能。
除了聚碳酸酯和聚砜类具有热变形温度高的无定形热塑性塑料之外,芳族聚酯
(APE)代表了另外一类有意义的热塑性塑料,同时也有以玻璃纤维增强的产品供应。
一般来说,玻璃纤维能提高 APE的劲度和硬度,使蠕变行为得到改进,并使冲击
强度和断裂伸长率降低。
有关玻璃纤维增强制品的力学性能可参见表 3-73。
(十)聚苯醚 (PPO)
PPO的特点是热变形温度高,具有良好的力学性能、劲度、尺寸稳定性和电性能。
PPO和改性 PPO (Noryl)可列入象 PA、PC、ABS、POM等的工程塑料之中。改性 PPO
(Noryl)以玻璃纤维和碳纤维增强的方式 (玻璃纤维质量分数 20% ~40%)供应,主
要用于工业零件。
玻璃纤维增强能提高拉伸强度、弹性模量、挠曲强度、剪切强度、介电性能和尺寸
稳定性。增强 PPO的力学性能和聚碳酸酯类似。玻璃纤维增强聚苯醚的性能列于表 3-
73。
(十一)含氟高聚物
聚四氟乙烯 (PTFE)和聚三氟氯乙烯 (PCTFE)等绝大多数含氟高聚物具有极高
的耐化学性和极好的电性能,使用温度范围 -250~250°C,但存在蠕变倾向高、线性热
膨胀系数大的问题,因此实际上只能在没有机械应力的地方使用。
合适的填充剂和增强剂能改进热塑性氟塑料的下列性能:
蠕变强度 (近 9倍),耐磨性、劲度 (3~4倍)、导热性 (5~10倍),压缩强度
(3~4倍),硬度、蠕变倾向和在高温下的热变形性。然而,填充剂和增强剂对断裂伸
长率和缺口冲击强度有不利影响。
常用的填充剂和增强剂有:
(1)玻璃纤维 使用 15% ~25% (质量分数)的短玻璃纤维,有时和少量石墨一
起使用。
(2)碳纤维 在聚偏氟乙烯和乙烯与四氟乙烯的共聚物中,使用多至 20% (质量
分数)的碳纤维。
(3)金属、金属氧化物和金属化合物 与食物接触的含氟高聚物不允许使用金属
填充剂 (可溶的金属氟化物)。在轴承材料和密封件方面,偶而使用二硫化钼 (有时与
玻璃微球配合)、石墨、炭黑和多达 68% (质量分数)的青铜。
根据应用领域,在四氟乙烯与乙烯或全氟丙烯的共聚物中,石墨纤维可与玻璃纤维
或滑石并用。
(4)白垩 填充白垩的聚四氟乙烯在溶出白垩后可用作多孔电气材料。这类材料
的一些性能数据列于表 3-71中。
(十二)聚苯硫醚 (PPS)
高结晶度的 PPS具有突出的性能,如在高达 260°C温度下长期加热的稳定性、高的
耐化学性、良好的力学性能、电性能、高的尺寸稳定性、阻燃性和低的收缩性。PPS的
热变形温度甚至超过 PPO和聚醚砜。
注塑用的 PPS加入 40% (质量分数)的玻璃纤维,可以提高强度、劲度、受热下
的尺寸稳定性和冲击强度。用石棉纤维增强具有类似的作用。用 30% (质量分数)的
碳纤维增强还能大大降低表面电阻,获得导电性。采用矿质填料或白垩可以获得较好的
加工性、较低的收缩、脱模尺寸更精确和提高表面光泽。加入石墨可改进劲度和蠕变倾
向。加入 PTFE具有更好的滑动和磨耗行为。增强 PPS的性能列于表 3-73。
(十三)聚砜、聚醚砜
聚砜和聚醚砜 (PES)是耐热的热塑性塑料,能在 100°C以上的温度下使用,未增
强聚砜的性能与聚碳酸酯类似。用玻璃纤维和碳纤维增强可大大提高力学性能、热性能
和化学性能,但是,热变形温度没有明显的提高。纤维增强降低收缩和热膨胀,掺入
10% ~50% (质量分数)的碳纤维可以获得良好的电性能和导热性。

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