填料的表面处理

塑料改性中往往会从性能和成本角度考虑，加入一定量的填料，但填料是否必须进行表面处理，是不一定的，要根据具体情况而定。填料的尺寸，一般800目以下的无机粉体，自身的分散性较好，可以不进行表面处理；填充量大小，填充量较小时可不进行处理；对复合制品的性能要求，如对性能要求很低，也可不进行处理；对于软质PVC制品因本身含有大量增塑剂，加工中可以浸润填料，也可不进行处理。

对填料进行表面处理，目的使表面从亲水性变成疏水性，提高与树脂的相容性。填料的表面处理方法很多，处理效果的大小顺序为硬脂酸<简单偶联剂<多功能偶联剂<大分子偶联剂<相容剂<偶联剂和相容剂复合处理<复合偶联剂(偶联剂和助偶联剂)。

1、无机填料的表面处理

(1)用表面活性剂处理

可用的表面活性剂有硬脂酸、异丁酸、庚酸、辛酸、月桂酸、脂肪酸盐、脂肪酸酯、木质素、乙醇胺、有机胺及硅油等，我们常用的活性碳酸钙即为用硬脂酸活化处理的。用表面活性剂处理对填料表面的改性幅度不大，主要适合对极性树脂和热固性树脂的填充，具体如PVC、PA、PF、EP及UP等。

(2)用偶联剂处理

不同的偶联剂品种对处理的填料有选择性，即对不同填料的处理效果不同，在具体选用时一定要注意。 硅烷类偶联剂对二氧化硅、三氧化二铝、氢氧化铝、玻璃纤维、硅藻玻璃微珠及氮化硅等含硅类填料处理效果好， 对滑石粉、黏土及硅灰石等效果稍差，对碳酸钙、石墨及炭黑等无效果。钛酸酯和铝酸酯等其他偶联剂对碳酸钙、氢氧化铝、 硫酸钡、钛白粉及石棉等处理效果好，对滑石粉、云母、二氧化硅及氧化镁等处理效果稍差，对炭黑及木粉等无效果。

一般情况下，偶联剂的用量为填料的1%左右。液体偶联剂在使用之前需要用溶剂进行稀释处理，硅烷类偶联剂选用水和乙醇为溶剂，钛酸酯等其他偶联剂选用苯和甲苯为溶剂，溶剂的使用量为偶联剂的2-5倍。另外，虽然绝大部分无机填料的含水率都不高，但如果要进行的表面处理剂为亲油性试剂，就需要在处理前对无机填料进行干燥处理，使其含水量在0.5%以下，从而提高表面处理效果。

(3) 用相容剂处理

相容剂为要填充树脂的极性化合物接枝物，如马来酸酐(MAH)接枝物、丙烯酸(AA)接枝物、甲基丙烯酸(MMA)接枝物及顺丁烯二酸酐(MA)接枝物等，如PP填充体系可用PP-g-MAH做相容剂。

(4)用高分子树脂包覆处理

可用于填料处理的高分子树脂可以为：液态或低熔点低聚物如无规PP、PE蜡、PE、氧化PE蜡、聚a-甲基苯乙烯、聚醚和聚氨酯等，液态或低熔点热固性树脂预聚体如PF、EP及UP等。由于用于处理填料的树脂为液态或低熔点，液态树脂可直接对填料进行包覆，而低熔点树脂在与填料混合中适当升温即可使其熔化实现对填料的包覆处理。

(5) 用等离子体处理

用氩、乙烯、丁醛、苯乙烯、环已烷、甲基丙烯酸甲酯及甲烷等等离子体处理，填料表面发生化学反应使其极性化，从而提高与树脂的相容性。以苯乙烯和环已烷等离子体对碳酸钙处理后改性PP为例，其改性效果对比见下表所示。

是否等离子处理含量35%的碳酸钙（1250目）对PP改性效果比较

从表中可以看出，苯乙烯等离子体对碳酸钙处理的改性效果要更好一 些。

(6)表面化学反应处理

用化学反应在填料表面接枝相应的官能团或改变填料表面的化学组成，可以提高与树脂的相容性。例如对炭黑而言，可用硝酸、过氧化氢、臭氧水等强氧化剂处理，可以导入含氧官能团。再如对二氧化硅而言，其表面的硅醇基有极强的反应能力，可在其表面进行芳族化或接枝聚合。

(7)采用多种处理材料复合处理

用单一的处理材料对填料表面进行处理，不如用多种材料复合处理效果好。如用多种偶联剂复合处理的效果很好，复合偶联剂可以为不同品种偶联剂之间复合，也可为偶联剂与其他材料复合，具体如偶联剂/长链段化合物、偶联剂/过氧化物、偶联剂/过氯化物等。偶联剂和相容剂复合使用效果更好。

(8)表面微囊化处理

微囊化为在填料表面进行聚合反应，在填料表面包覆一层树脂。此法与用高分子树脂处理法类似，只是微囊化包覆的树脂的相对分子质量大，因其在填料上直接聚合，两者的结合强度更高。

2、有机填料的表面处理

有机填料具有较强的极性，与其复合的树脂如PE、PP 等都为非极性材料，两者的相容性极差。为改善天然有机材料与树脂的相容性，需对其进行预处理或在配方中加入相容剂。天然有机填料与无机填料的表面处理稍有不同。

(1)干燥处理

天然有机填料存在的大量羟基在分子间易形成氢键，使其极易吸水，填料的含水率较高，如南方产区自然干燥状态下稻糠的含水率为8% ~10%、木粉为5%以上。含水率高的天然纤维如直接加工，会引起制品起泡、烧焦，影响复合材料应有性能的发挥。以木粉为例，干燥温度为100°C左右，时间1h。

(2)表面处理

天然有机纤维的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等，其分子结构中含有大量的羟基，属多羟基化合物，极性大，属于亲水性材料，与聚烯烃类油性差异大，相容性不好。直接添加很小量时，也会给制品性能带来不利的影响，降低冲击强度和拉伸强度。另外，由于天然纤维具有较高强度的分子内氢键存在，进行热混合时易聚集在起成团，难以在树脂中均匀分散。天然有机纤维具有多孔性特性，给表面处理增加了难度。因此，改善天然纤维与树脂之间的相容性，是天然纤维聚合物复合材料成功与否的关键。

具体的表面处理方法如下:

①放电处理。常用低温等离子放电和电晕放电。其中常用电晕放电，它可以大量激活纤维素表面的醛基，进而改变纤维素的表面能。

②偶联剂处理。常用硅烷和钛酸酯类偶联剂，加入量为0.5%左右。

③硬脂酸处理。硬脂酸的表面处理效果仅次于偶联剂的表面处理剂，其表面物理吸附作用为主，但实际上存在一定的化学键合作用。例如用硬脂酸对木纤维进行包覆处理，可使纤维疏水化，提高在PP中的分散性。

④加入相容剂。如加入马来酸酐接枝树脂1%左右为相容剂，可与木粉中的羟基发生酯化反应，降低其极性。

⑤加入线性热固性树脂。以脲醛树脂的效果最好，它含有较多的环氧基和羟基等极性基团，可以跟天然纤维中的甲氧基、羟基等极性基团在高温下反应形成氢键。加入量为8份左右。

⑥增塑剂处理。加入极性的苯磺酰胺类增塑剂，其中的极性基团与天然纤维中的羟基相互作用，削弱了纤维之间的作用力，改善了其在树脂中的分散性。

⑦碱化处理。用碱溶液对纤维进行处理是一个古老的方法。其原理为使纤维中的部分果胶、木质素和半纤维等低分子杂质被溶解或使其螺旋转角减小，分子取向提高。结果为纤维中的杂质被除去，表面变粗糙，增强了与树脂的黏合能力。具体处理方法以木纤维为例，在23°C下用17.5%的NaOH溶液浸泡48h。

⑧表面张力法。对剑麻纤维表面进行轻度乙酰化，可降低其表面张力。用聚乙烯醇缩甲醛类处理黄麻纤维，可增强其化学性能和疏水性。用聚丙烯酸酯处理稻草纤维，可较好地浸润稻草纤维表面，使其容易均匀地分散在基体树脂中。

⑨闪爆法处理。对有机纤维进行类似爆米花的闪爆处理。可以改变原有的羟基结构，同时提高与树脂的相容性。可以进一步消除内部水分含量，减少水对成型加工的影响。可以促进纤维超细化处理，获得超过千目以上的粉末并不困难。