5　填料的選擇與處理

　　填料是模塑料的主要組分之一。其作用是比較復雜的，歸結起來主要是降低成本，調節流動性，改善外觀，減少或避免收縮與開裂。

　　5.1　填科的選擇

　　選擇填料時要能滿足上述4方面要求。常用的填料是碳酸鈣。碳酸鈣具有較好的綜合性能，價格也低，故大多數模塑料制品選用碳酸鈣作填料。此外也常加入配用填料來調節制品性能。以滿足特定要求。配用填料加入量一般不超過20％。但三水合氧化鋁可加入到填料總量的50％～70％。這種配合填料主要有以下4種。
　　(1)細碳酸鈣粉　常用以改善制品表面狀況。
　　(2)滑石粉　具有高吸油率，可減少模塑料在壓型時產生過分的流動而使模腔中出現空隙或過多地溢出；同時又可減少模塑料的黏著性，便于配料及使用操作。
　　(3)瓷土　其吸油率高，可減少流動性，同時提高制品的耐候性和耐化學性。
　　(4)煅燒黏土　可用于電氣絕緣方面。
　　對于填料顆粒度的要求有平均顆粒度和顆粒度分布兩方面。一般平均顆粒度以5μm左右為好，大顆粒度不宜超過20μm，超過20μm的顆粒會給制品性能造成不利的影響。顆粒表面要光滑。典型的碳酸鈣顆粒分布見圖16-21。

　　5.2　填料的表面處理

　　填料一般要進行表面處理。經過處理的填料可使模塑料保持未處理前的流動性，同時可加大填充量，且易于分散均勻。表面處理劑主要有兩類。
　　(1)羧酸酯類　羧酸酯類如硬脂酸鈣。它用作處理劑需注意可能會引起制品表面“起霜”，特別是采用高剪切攪拌機攪拌樹脂和填料時，可能會產生這種現象。用硬脂酸鹽被覆的碳酸鈣在填料表面會產生與硬脂酸的化學鍵合作用，故所被覆的處理劑不易被剪切除掉。
　　(2)用樹脂被覆　用樹脂被覆填料可以提高粘結力和耐候性。
　　表面處理后，填料的吸油率降低，充填率上升。各種填料的吸油率排列順序(由低到高)為；處理過的方解石→處理過的白堊粉→未處理的方解石→未處理的白堊粉→處理過的沉積碳酸鈣→黏土、高嶺土→滑石。
　　方解石與自堊粉經處理后其吸油率下降，見表16-13。

　　5.3　填料加入量

　　填料是很便宜的原料，可以大幅度降低模塑料及其制品的成本，因此人們常希望向模塑料中盡可能多地加填料。但填料的不同類型及其顆粒度分散性將影響樹脂混合料的流動性，因而影響各種填料的加入量。圖16-22為某些填料對樹脂混合料黏度的影響。一般填料加入量為100～300質量份(以聚酯樹脂用量為100質量份計)。由圖16-22可見，不同的填料在樹脂混合料中的可加入量差別很大。顆粒度較細的滑石粉和沉積碳酸鈣會產生高黏度，因而加入量少。

　　填料的吸油率影響樹脂混合料的黏度。填料經表面處理后吸油率下降，充填量上升，故即使表面處理增大了成本，但充填量上升也會使成本降低更多。圖16-23為兩種填料――高吸油率的白堊粉和低吸油率的表面處理粉料所節省費用的對比。
　　樹脂混合料的黏度受溫度影響很大，可適當調節溫度，使混合料具有適的黏度。圖16-24為碳酸鈣填料充填量為60％時混合料黏度與溫度的關系?？梢娀旌狭橡ざ入S溫度上升而按對數曲線下降。

　　5.4　填料的規格與性能測定

　　由于填料在模塑料中具有改進流變性的作用，保證模塑料在壓型時能呈均勻流動而不致有樹脂或玻璃纖維濾出，這種性能對模塑料具有極大重要性，因此對所選用的填料必須提出確定的規格與性能要求，主要包括顆粒度及顆粒度分布、顆粒形態、吸收能力(即吸油率)、充填率。
　　(1)顆粒度及顆粒度分布   顆粒度的快速測定法是用規定的篩子過篩，測定其篩余物。篩孔尺寸43μm，要進行濕篩，即有蒸汽時過篩，或使填料含水再分散后過篩，篩余物為粗顆粒及結塊，將篩余物干燥后稱重，不得超過總量的0.2％。
　　顆粒度分布可采用不同的方法測定，常用的是液體比重計，方法簡便。參閱ASTM D 422-54T，也可用滴管測定，即將固定比例的填料在水中的懸浮液，從沉淀開始，在不同時間內采樣進行測定。后顆粒度分布可作出曲線，其一例見圖16-25。

　　(2)顆粒形態   顆粒形態早是用光學顯微鏡觀察，測定用統計平均直徑來表示。先配成合適的填料懸浮液，防止結塊，然后取樣測定，將測得數據進行統計計算得平均直徑：

　　式中d――測得的顆粒直徑；
　　　　n――顆粒數。
　　(3)吸收能力　吸收能力也稱吸油率，其測定方法見ASTM D 281-31第28部分。主要是測定對給定量的填料剛剛達到飽和濕透所需的樹脂量，表示為“g／100g”。該值對樹脂混合料的黏度有很大影響，并受填料細度、表面積、相對密度等性能影響。吸收能力高時表示填料細而多孔。
　　(4)充填率　可測定黏合劑的體積以及填料體積，然后按下式計算：

　　上式表示在復合材料總體積中使填料浸透所用黏合劑所占體積。也可將分子改為填料體積。即得總體積中的填料體積分數，按此法也可進一步測定制品中的空隙度。

　　5.5　填料對制品外觀的影響

　　填料對制品外觀質量影響很大，填料使用不當時可能造成兩種外觀缺陷。
　　(1)小型針孔或氣泡　這種缺陷主要是填料中的粗顆粒所造成，故必須規定顆粒度的尺寸上限為20μm。另一方面要求顆粒度分布要窄些。平均顆粒度較高而分布范圍較窄的填料比平均顆粒度雖低但具有較大顆粒的填料好。
　　(2)大范圍的波紋與皺痕　這種缺陷主要是制品固化時收縮率過高造成的，如采用低收縮率樹脂系統這種情況可以緩和。如果收縮率大再加上玻璃纖維分布不均勻，即產生表面上長的波紋，采用合適的填料可以避免這一缺陷。隨著填料含量的上升制品的收縮會下降，但充填量有一定限度，取決于樹脂混合料的黏度及填料的吸油率。故充填率應在樹脂混合料的合適黏度許可下盡量使制品收縮率減少，圖16-26即為未處理的方解石填料充填量與制品收縮率的變化曲線。

　　5.6　填料對制品力學性能的影響

　　填料含量較少時對制品力學性能影響不大，但充填量較高時有以下影響。
　　(1)隨充填量增加制品彎曲與拉伸模量上升　在模塑料常用充填量范圍內彎曲模量急劇上升。圖16-27所示在50％～70％充填量范圍內，彎曲模量上升25％。

　　(2)在高填充量時拉伸強度與彎曲強度顯著下降　因填料含量高的制品中填料分散差、樹脂浸不透，故造成局部應力集中而破壞。
　　(3)隨著填料充填量的上升，制品沖擊強度下降　實際上顆粒性填料可使樹脂基體脆化；未充填的樹脂斷裂強度為30～80MPa，彈性模量3.0GPa。填料與樹脂比例為(1.1～1.5):1的SMC和(2～3):1的DMC，其斷裂強度為10～30MPa，彈性模量為6.1～11.6GPa。其斷裂變形為0.25％左右。高填充量時應力-應變曲線近于直線，見圖16-28。
　　對于SMC或BMC制品，因含有玻璃纖維，故應力-應變曲線出現某個轉折點，在應變小于25％時樹脂與填料基體承擔應力到破裂，以后由玻璃纖維單獨承擔應力到斷裂，玻璃纖維束的斷裂強度為1.2～1.9GPa，斷裂時變形約2％，見圖16-29。由此可見，模塑料的破壞經歷3個階段。

　?、購椥宰冃坞A段，由負荷加載起至樹脂基體破壞。
　?、跇渲旌象w基體多處開裂破壞，同時模量下降。
　?、鄣诙螐椥宰冃坞A段，由纖維承擔全部荷載至達到破壞應力。