填料

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填料是添加到黏合劑（樹脂、熱塑性塑料、水泥）中以製備複合材料的顆粒材料。填料可以改善製品的特定性能或降低產品成本。

粗填料（如建築骨料和鋼筋）主要用於建築工業，製造灰泥、砂漿和混凝土。

粉末狀填料常與彈性體和塑料混合使用。全球每年有超過5300萬噸填料（總價值約180億美元）用於紙張、塑料、橡膠、油漆、塗料、黏合劑和密封料的生產。填料生產商超過700家，填料已成為世界主要原料之一，廣泛存在於各種日常消費品中。最常用的填料包括重質碳酸鈣（GCC）、沉澱碳酸鈣（PCC）、高嶺土、滑石和炭黑。

填料可以影響材料的抗拉強度、韌性、耐熱性、顏色和透明度等，可用於改變或增強材料性能，或作為改善和控制加工特性的手段。使用填料的另一個原因是可以通過用廉價填料代替部分昂貴的核心材料來降低成本。

塑料中使用的填料大多是礦物或玻璃基填料。微粒和纖維是填料的兩大子類。微粒是混合在基體中的微小填料顆粒，其尺寸和長徑比至關重要。纖維是細長的圓形鏈，長度可以很長，且具有極高的長徑比。

## 類型

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### 碳酸鈣（CaCO3）

在塑料工業中常被稱為「白堊」，碳酸鈣源自石灰石和大理石，廣泛應用於包括聚氯乙烯（PVC）和不飽和聚酯在內的多種領域。製造複合材料時，$\text{CaCO}_3$的添加量可高達90%。這些添加劑可以通過降低冷卻速率來提高成型生產率。它們還能提高材料的工作溫度並為電線提供絕緣。

$\text{CaCO}_3$在填充母料中作為基材占很大比例。含量達97%的碳酸鈣粉末能使白色或不透明製品獲得更高的白度，從而減少白色母料的使用量。在含量較低時，碳酸鈣粉末可用於彩色製品。此外，它還能使塑料成品表面更加明亮光澤。

### 高嶺土

高嶺土在塑料中主要利用其抗粘連特性，並在雷射打標中作為紅外吸收劑。它能增加衝擊強度和耐熱性。偏高嶺土用於穩定PVC。研究還表明，高嶺土能提高耐磨性，可代替炭黑作為填料，並改善玻璃增強物質的流動特性。

### 氫氧化鎂（滑石粉）

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滑石是一種柔軟的礦物，通常比碳酸鈣昂貴。它由氫氧化鎂層與二氧化矽層交替組成。在塑料工業中，由於其長期熱穩定性，被用於包裝和食品應用。

### 矽灰石（CaSiO3）

矽灰石具有針狀結構，具有較高的比重和硬度。這種填料可以改善含水量、磨損抗性、熱穩定性以及高介電強度。矽灰石與雲母、滑石等片狀填料競爭，在生產熱塑性塑料和熱固性塑料時也可用來代替玻璃纖維。

### 玻璃

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玻璃填料具有多種形式：玻璃珠、短玻璃纖維和長玻璃纖維。按噸位計，它是塑料中最常用的填料。玻璃纖維用於增加熱塑性塑料或熱固性塑料的機械性能，如彎曲模量和抗拉強度。通常添加玻璃作為填料並無經濟效益。在基體中使用玻璃的一些缺點包括表面質量差、熔融時黏度高、可焊性差以及容易翹曲。添加玻璃珠有助於吸油性和耐化學性。

### 粉煤灰

燃煤和油頁岩粉煤灰已用作熱塑性塑料的填料，可應用於注射製模。

### 納米填料

納米填料的粒徑小於100納米。它們具有高長徑比，主要用作耐刮擦和防火填料。納米填料可分為納米片、納米纖維和納米顆粒三類。納米顆粒的應用比納米片和納米纖維更廣泛，但納米片的使用也開始增加。納米片類似於滑石和雲母等傳統片狀填料，但厚度要小得多。添加納米填料的優點包括形成氣體阻隔和阻燃特性。

### 聚合物泡沫珠

聚合物泡沫珠的堆積密度可低至0.011 g/cm³，粒徑範圍從45微米到8 mm以上。在配方體系中使用聚合物泡沫珠的常見缺點包括靜電、耐溫性和耐化學性限制，以及由於其極低的堆積密度而難以在體系內實現均勻混合。然而，通過配方改進、添加劑和其他表面處理，這些限制大部分可以被克服。儘管存在挑戰，但在需要減輕成品重量或節省成本時，仍可將聚合物泡沫珠添加到配方體系中。

### 砌體填料

砌體填料（Masonry filler）實際上是一種被稱為「填料」的複合材料，用於修復牆壁的裂縫和孔洞。它通常由水泥、熟石灰和細骨料作為填料製成。

### 天然聚合物

多種天然高分子可用作填料。已知的例子包括纖維素纖維、木粉和木纖維、亞麻、棉花、劍麻以及澱粉。

### 其他填料

混凝土填料被稱為建築骨料，包括礫石、石塊、沙子和鋼筋。礫石、石塊和沙子用於降低混凝土成本。鋼筋用於強化混凝土。

填料類型｜密度（g/cm³）｜莫氏硬度｜平均尺寸（微米）｜長徑比/形狀

碳酸鈣｜2.7｜3-4｜0.02-30｜1-3 塊狀

滑石｜2.7-2.8｜1｜0.5-20｜5–40 片狀

矽灰石｜2.9｜4.5｜1-500｜5–30 纖維狀

雲母｜2.8-2.9｜2.5-4｜5-1000｜20–100 片狀

高嶺土｜2.6｜2｜0.2-8｜10–30 片狀

二氧化矽（沉澱）｜1.9-2.1｜5.5｜0.005-0.1｜~1 圓形

炭黑｜1.7-1.9｜2-3｜0.014-0.25｜~1 圓形

白雲石｜2.85｜3.5-4｜1-30｜~1 圓形

硫酸鋇｜4.0-4.5｜3-3.5｜0.1-30｜~1 圓形

氫氧化鋁（ATH）｜2.42｜2.5-3｜5-80｜1–10 片狀

氫氧化鎂（MDH）｜2.4｜2.5-3｜0.5-8｜1–10 片狀

硅藻土｜2-2.5｜5.5-6｜4-30｜2–10 盤狀

磁鐵礦/赤鐵礦｜5.2｜5.5-6｜1-50｜~1 塊狀

埃洛石｜2.54｜2.5｜1-20｜5–20 管狀

氧化鋅｜5.6｜4.5｜0.05-10｜1 圓形

二氧化鈦｜4.23｜6｜0.1-10｜1 圓形

## 機械性能

### 抗拉強度

抗拉強度是評價填料最常用的方法。複合材料的抗拉強度可以通過下式計算：

$\sigma_c = \sigma_p(1 - a\Phi_f^b + c\Phi_f^d)$

其中

$\sigma_c$ = 複合材料的抗拉強度

$\sigma_p$ = 聚合物基體的抗拉強度

$\Phi_f$ = 填料的體積分數

$a, b, c, d$是取決於填料類型的常數。$a$與應力集中有關，且基於填料的黏附特性。$b$通常為0.67。$c$和$d$是與粒徑成反比的常數。

### 彈性模量

填充聚合物的彈性模量（楊氏模量）可以通過下式求得：

$E = E_0(1 + 2.5\Phi + 14.1\Phi^2)$

其中：

$E_0$ = 未填充樹脂或粘結劑的模量

$\Phi$ = 填料濃度

填料添加量較少的聚合物緊密遵循此方程。通常，添加填料會增加模量。添加碳酸鈣和滑石會增加彈性模量，而添加彈性填料可能會略微降低該值。填料由於其剛度或剛性以及與聚合物基體的良好黏附性而增加了模量。

### 衝擊強度（韌性）

填料通常會提高抗衝擊性。提高抗衝擊性的貢獻因素包括粒徑、顆粒形狀和顆粒剛性。由於長寬比大，纖維對衝擊強度的提升最為明顯。低硬度填料會降低衝擊強度。在特定範圍內，粒徑可以根據填料的不同而增加衝擊強度。

### 耐磨性

塑料材料的損蝕體積（$W_s$）計算如下：

$W_s = \frac{K\mu PDW}{EI_s}$

其中：

K = 比例常數

P = 力

E = 模量

D = 滑動距離

W = 負荷

$I_s$ = 層間剪切強度

基體和填料共同對耐磨性做出貢獻。通常選擇填料是為了降低材料的摩擦係數。粒徑和形狀是影響因素。較小的粒徑可增加耐磨性，因為它們產生的碎屑較少。二氧化矽、氧化鋁、二硫化鉬和石墨粉是提高耐磨性的常用填料。

### 抗疲勞性

填料對疲勞抗性的影響可能是負面的也可能是正面的，取決於填料的類型和形狀。填料通常會在基體中產生微小的斷點，這可能導致裂紋萌生。如果填料是脆性的，抗疲勞性會降低；而如果填料具有很好的延展性，複合材料將具有抗疲勞性。黏附力也是影響抗疲勞性的重要因素。如果應力高於顆粒的粘附力，就會形成或擴展裂紋。由於纖維端部應力高且粘附力較低，裂紋最常在這些部位萌生。滑石是一種可用於增加抗疲勞性的填料。

### 熱變形

填料對結晶聚合物的熱變形有很大影響。無定形聚合物受填料的影響可以忽略不計。添加玻璃纖維最常用於偏轉熱量。在某些基材中，碳纖維的表現被證明優於玻璃纖維。通常，纖維材料比顆粒填料更能有效地偏轉熱量。

### 爬行

填料對抗蠕變性有巨大影響。下式描述了填充材料的蠕變應變：

$$\frac{\varepsilon_c(t)}{\varepsilon_m(t)} = \frac{E_m}{E_c}$$

其中

$\varepsilon_c(t)$ = 填充聚合物的應變

$\varepsilon_m(t)$ = 基體或未填充聚合物的應變

$E_m$ = 基體的楊氏模量

$E_c$ = 填充聚合物的楊氏模量

填料與基體結合得越好，抗蠕變性就越強。許多相互作用都會產生正面影響。在某些材料中，玻璃珠和纖維都已被證明能改善抗蠕變性。氧化鋁對抗蠕變性也有正面效果。吸水性會降低填充材料的抗蠕變性。

## 塑料填料的可焊性

添加填料會顯著影響塑料的可焊性，也取決於所使用的焊接工藝。對於超聲波焊接，碳酸鈣和高嶺土等填料可以增加樹脂傳遞超聲波的能力。對於電磁焊接和熱板焊接熱板焊接，添加滑石和玻璃纖維會使焊接強度降低多達32%。與整體材料相比，焊接後塑料的強度會隨著基體中填料含量的增加而降低。使用磨蝕性填料可能會影響焊接工具。磨蝕性填料會加速焊接工具的退化，例如與塑料接觸的超聲波焊頭表面。測試填料可焊性的最佳方法是將焊接強度與樹脂強度進行比較。由於許多填料含有不同含量的添加劑，會改變其機械行為，因此也可能難以實現。

## 填料在塑料工業中的應用

填料廣泛應用於塑料製品的生產過程，用以改性原始塑料的性能。通過使用塑料填料，製造商可以節省生產成本並減少原材料消耗。

填充母料在改善塑料物理性能方面的重要性不言而喻，特別是在降低成本和提高生產效率方面。

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