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无机填料的改性及其在复合材料中的应用

随着复合材料讨论的深入进展和应用，作为复合材料组份之一的

填料，日益受到了人们的广泛重视。填料是材料改性的一种紧要手段，

不仅可以降低材料的成本，而且可以显著地改善材料的各种性能，给与

材料新的特征，扩大其应用范围。但由于填料与聚合物在化学结构和物

理形态上，存在着显著的差异，两者缺乏亲和性，因此必需对填料进行

表面活化处理，以使填料与聚合物两者之间达到很好的浸润。

1填料的表面改性技术

填料表面改性，是对填料的性质进行优化，开拓新的应用领域，

提高工业价值和附加值的有效途径和紧要技术之一。通过更改填料表面

原有的性质，如亲油性、吸油率、浸润性、混合物粘度等，可以改善填

料与聚合物的亲合性、相容性以及加工流动性、分散性，加强填料和聚

合物界面之间的结合力，使复合材料的综合性能得到显著的提高，因而

填料改性技术的进展，就成为当前很活跃的一个讨论课题。

1.1偶联剂处理

偶联剂是一种能够加强无机填料与聚合物之间亲合力的有机化合

物。其通过对无机填料进行化学反应，或物理包覆等方法，使填料表面

由亲水性变成亲油性，达到与聚合物的紧密结合从而提高复合材料的综

合性能。目前使用最多的偶联剂，是硅烷偶联剂、钛酸酯和铝酸酯偶联

剂。其中硅烷偶联剂又是品种最多、用量最大的一种，重要用于填充热

固性树脂的玻璃纤维和颗粒状含硅填料的表面处理。如采纳硅烷偶联剂

对云母进行预处理，可以明显提高云母填充聚丙烯复合材料的力学性能、

热性能和电性能。用硅烷偶联剂处理石英填充聚氯乙烯复合材料，也能

显著加强其力学强度。与硅烷偶联剂不同，钛酸酯偶联剂能给与填充体

系较好的综合性能，如钛酸酯偶联剂处理CaCO3、炭黑、玻璃纤维和滑

石粉时，能与无机填料表面的自由质子反应，在填料表面形成有机单分

子层，因而能显著改善无机填料与聚烯烃之间的相容性。故在选用偶联

剂时，要综合考虑基体树脂的类型和填料的物化性质。由于偶联剂对填

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充效果起着至关紧要的作用，所以偶联剂的开发和偶联技术，依旧是紧

要的讨论领域，应重点讨论适应范围广、改性效果好、成本低的新型偶

联剂和相应的偶联技术。

1.2表面活性剂处理

表面活性剂有阴离子型、阳离子型和非离子型，如高级脂肪酸及

其酯类、醇类、酰胺类和金属盐类等，其分子的一端为长链烷基，与聚

烯烃分子链有肯定相容性；另一端为羧基、醚基或金属盐等极性极团，

可与无机填料表面发生化学作用或物理化学吸附，从而有效地覆盖填料

表面。此外，表面活性剂本身还具有肯定的润滑作用，可以降低熔体粘

度，而改善填充复合体系的流动性。

如改性后的石英填料，与聚合物具有很好的相容性和亲合性，不

仅改善了填料与树脂中的分散性和加工流动性，树脂混合体系的粘度明

显下降，而且对加添填充量，提高填充制品的物理力学性能和降低生产

成本，具有显著的效果。

另据报道，用CaCO3填充聚丙烯复合体系的介电性能时，发觉未

处理的CaCO3填充体系随着填料含量的加添，吸水性相应加添；而用硬

脂酸盐处理CaCO3表面后，体系的吸水性降低，介电损耗加添，表明硬

脂酸盐具有能使复合体系界面分子松驰的作用[3]。

1.3等离子体表面处理

等离子体处理技术，是新近进展起来的一种填料表面改性方法。

气体在外部激励源的电场作用下，中性粒子会失去电子，或全部电离为

离子或分解为自由基，形成正电荷和负电荷相等的等离子体。用等离子

体改性塑料填料表面的过程，实质是气体的活化和活化粒子的失活过程，

其原理相当多而杂，与以下诸多因素有关：

（1）塑料填料用非聚合性气体的等离子体进行处理时，在惰性气

体等离子体作用下，经等离子体轰击后发生键的断裂，产生链自由基，

进一步生成新的双键或大分子间交联，形成一致密的表面层。在氧或其

它氧化性气体等离子体中处理，等离子体与其表层分子结构将发生氧化

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反应，不仅向塑料填料表面依据需要可将气体比例任意更改，也可以将

数种有机气体混合加入，进行“共聚合反应”，以获得独特结构的聚合

物，以有效地对塑料填料表面进行改性。

（3）塑料填料表面用等离子体处理后，形成的大量自由基或官能

团，可与具有功能性的单体进行接枝聚合反应，使塑料填料表面得以改

性。引入相应元素和极性官能团，而且