無(wú)機礦物填料是一種主要原料為無(wú)機礦物或非金屬礦物、經(jīng)過(guò)加工后的具有一定化學(xué)成分、幾何形狀和表面特性的粉體材料。
1、無(wú)機礦物填料的分類(lèi)
無(wú)機礦物填料的分類(lèi)方法很多，一般來(lái)說(shuō)，填料的化學(xué)組成決定填料的本質(zhì)，尤其是賦予材料以功能時(shí)，其化學(xué)組成起決定作用。
表1 無(wú)機礦物填料按化學(xué)組成的分類(lèi)
此外，無(wú)機礦物填料按其幾何形狀還可以分為球狀、立方狀、片狀、纖維狀、針狀、紡錘狀等。
2、無(wú)機礦物填料的特性
與無(wú)機礦物填料填充效果有關(guān)的主要性能是化學(xué)組成、粒度大小和粒度分布、比表面積、顆粒形狀、密度與堆砌密度、吸油值、白度、硬度以及表面性質(zhì)、熱性能、光性能、電性能、磁性能等。
表2 部分無(wú)機礦物填料的主要物理化學(xué)性能
?。?）化學(xué)成分
化學(xué)組成是無(wú)機礦物填料的基本性質(zhì)之一。無(wú)機礦物填料的化學(xué)活性、表面性質(zhì)（效應）以及熱性能、光性能、電性能、磁性能等在很大程度上取決于化學(xué)組成。
無(wú)機礦物填料的顏色或白度在很大程度上取決于填料的化學(xué)成分，特別是顯色成分氧化鐵、氧化錳、氧化鈦等。因此，多數非金屬礦物填料對Fe2O3的含量有嚴格要求。
無(wú)機礦物填料的化學(xué)成分在很大程度上決定其電性能，如電導率或體積電阻率：石墨是導電性較好的無(wú)機礦物填料；絕大多數硅酸鹽礦物則是電絕緣性較好的無(wú)機礦物填料，但是，如果其中含有較多的鐵雜質(zhì)或其他金屬雜質(zhì)將顯著(zhù)降低其體積電阻率。
無(wú)機礦物填料的熱性能也與其他化學(xué)成分有很大關(guān)系，大多數無(wú)機填料屬于難燃物或滯燃物，部分含結構水較多的無(wú)機礦物填料，如氫氧化鎂和氫氧化鋁分解溫度較低，而且分解后生成水蒸氣和金屬氧化物，具有優(yōu)良的阻燃性能，不產(chǎn)生毒煙，因此是高聚物基復合材料環(huán)境友好型阻燃填料。
?。?/strong>2）粒度大小與粒度分布
粒度大小與粒度分布是無(wú)機礦物填料最重要的性質(zhì)之一。不同應用領(lǐng)對無(wú)機礦物填料要求有所不同。對于高聚物基復合材料（塑料、橡膠、膠黏劑等）來(lái)說(shuō)，在樹(shù)脂中分散良好的前提下，填料的粒徑越小越好。因為填料粒徑越小，則其增強作用越大，如用325目和2500目CaCO3填充半硬質(zhì)PVC（聚氯乙烯）時(shí)，后者比前者強度提高30%；用玻璃纖維增強熱塑性塑料時(shí)，纖維直徑一般在12um左右。但粒徑過(guò)小，填料的加工和分散較困難，生產(chǎn)成本也就增大。對于造紙填料來(lái)說(shuō)，粒度不宜太小，因為過(guò)小使填料在紙張中的留著(zhù)率下降，不公浪費填料，而且導致造紙成本增加，同時(shí)還可能降低紙張的不透明性。因此，在目前技術(shù)經(jīng)濟條件下，無(wú)機礦物填料的細度并非越細越好。
填料的粒度與粒度分布常用中位粒徑或平均粒徑（d50）、25%小于等于的粒徑（d25）、75%小于等于的粒徑（d75）、90%小于等于的粒徑（d90）、97%小于等于的粒徑（d97）以及最大粒徑（dmax）等來(lái)表示。對于涂料和油墨中應用的無(wú)機礦物填料除了測定相應的粒度大小外，還要測定325目篩余量。
由于各種粒度測定儀器、方法的物理基礎不同，相同樣品用不同測定方法和測定儀器測得的粒度物理意義及粒度大小和粒度分布也不盡相同。用沉降粒度分析儀測定的是等效徑（即等于具有相同沉降末速的球體直徑），激光粒度測量?jì)x、庫爾特計數器、顯微鏡等儀器測得的是統計徑，透過(guò)法和吸附法得到的是比表面積直徑。因此，在表征和評價(jià)填料的粒度大小和粒度分布時(shí)，一定要注意這點(diǎn)。
?。?）顆粒形狀
無(wú)機礦物填料顆粒的形狀大體可分為球狀、片狀、立方狀、纖維狀（或針狀）等。不同填料往往具有不同的顆粒形狀。填料顆粒形狀從兩個(gè)方面影響填料的填充效果：一是形狀不同，填料的比表面積不同；二是填料的形狀直接影響填料的堆砌密度。例如，球狀填料的堆狀、薄片狀填料有助于提高制品的機械強度，但不利于成型加工。反之，球狀填料可以改善制品的成型加工性能，但卻可能使其機械強度下降。
?。?）表面性質(zhì)
無(wú)機礦物填料的比表面積是其重要的表面性質(zhì)之一。一般來(lái)說(shuō)，比表面越高。表面的吸附量越大，填料的吸油率也就越高。比表面積的大小主要與填料的粒度大小與粒度分布及顆粒形狀有關(guān)。對于無(wú)孔隙和表面光滑平整的顆粒，其單位質(zhì)量的外表面積就是其比表面積，如碳酸鈣、石英粉、長(cháng)石粉等；但對于具有也隙或也道的非金屬礦物填料，如硅藻土、多孔粉石英（屬于一種火山灰沉積巖，其自然粒徑細（0.5μm左右），顆粒分布均勻，比表面積大（8.3m2/g），外形結構近似球型無(wú)棱角狀。以電子顯微鏡圖象看，其表面全是納米級的介孔，平均孔徑約為8.8nm（納米）。粒度越細，比表面積越大。
填料表面的物理結構也對其填充性能有一定影響。填料表面的特理結構十分復雜。結晶粒子在熔點(diǎn)時(shí)發(fā)生急劇變化使表面產(chǎn)生許多凹凸，而非結晶粒子（如玻璃）在高溫時(shí)黏度較低。由于表面張力使表面變得光滑，填料經(jīng)過(guò)粉碎加工后表面又會(huì )發(fā)生變化，這些都影響其與基料和聚合物的結合狀態(tài)。
填料表面由于各種官能團的存在及與空氣中的氧或水分作用，使之與填料內部的化學(xué)結構存在差別。大多數無(wú)機填料具有一定的酸堿性，其表面有親水基團并呈極性，容易吸附水分。而有機聚合物則具有憎水性，因此兩者之間的相容性差，界面難以形成良好的黏結，正因為如此，為了改善填料和樹(shù)脂的相容性，增強二者的界面結合，要采用適當的方法對無(wú)機礦物填料表面進(jìn)行改性處理。
填料在聚合物中的分散狀態(tài)對填充材料的性能。尤其是力學(xué)性能影響極大。填料在聚合物中的分散狀態(tài)與其表面活性及高聚物基料的混合工藝等有關(guān)。
填料粒子的表面與基料之間的結合狀態(tài)對填充材料的綜合性能有直接影響。填料表面所存在的，無(wú)論是物理因素還是化學(xué)活性因素，對這種結合狀態(tài)都有不容忽視的影響。因此，在加工和選用無(wú)機填料時(shí)必須考慮填料表面的物理化學(xué)特性。
如能實(shí)現無(wú)機填料與基料之間的化學(xué)結合，就會(huì )大大提高填充效果，還會(huì )使某些填料起到增強作用，如加大填充量而又不影響填充熔體的流動(dòng)性，能使成型順利進(jìn)行，材料又有良好的表觀(guān)質(zhì)量等。實(shí)現良好化學(xué)結合的最有效的方法是對填料進(jìn)行適當的表面處理。
?。?）密度
填料的真實(shí)密度與其原料礦物的密度是一致的，而且當填料顆粒均勻分散到基體樹(shù)脂中時(shí)，給填充材料的密度帶來(lái)影響的也正是其真實(shí)密度。由于填料顆粒在堆砌時(shí)相互間有空隙，不同形狀的顆粒粒徑大小和分布不同，在質(zhì)量相同時(shí)，堆砌的體積不同，因此，其堆砌密度或表觀(guān)密度是不同的，有時(shí)差別還是很大。填料的堆砌密度對復合材料的性能影響很大，不同用途和要求的復合材料對填料堆砌密度的要求是完全不一樣的。例如，在增量復合材料中填料加入的目的是節約樹(shù)脂的用量，大幅度降低材料成本，所以加入的往往是價(jià)格低廉的填料，希望加入量越大越好。這就希望填料堆砌達到最大密度堆砌。但是，對于另外一些復合材料體系來(lái)說(shuō)，最大密度堆砌是不適宜的。例如，在復合型導電塑料中，導電填料價(jià)格高，生產(chǎn)中希望以最小的填充量獲得最好的填充效果，這就希望填料堆砌達到最小密度堆砌。
填料堆砌過(guò)程中，最大顆粒的堆砌決定了體系的總體積。體系的顆粒之間存在大量空隙，加入的較細顆粒填充到這些空隙中，因而體系的總體積不變。較細顆粒之間仍然存在空隙，這些空隙再被更細的顆粒填充。顆粒越來(lái)越細，直至顆粒無(wú)窮小，體系的總體積等于填料的真實(shí)體積。這種堆砌體系相當于數學(xué)上的幾何級數，其最終堆砌體積決定于粒徑分布及最終剩下的空隙體積。
應用特定的粒徑分布可以獲得填料的最大密度堆砌體系，此時(shí)，復合材料中使用的基體樹(shù)脂最少。相反，應用單一的粒徑就可以得到最小密度堆砌體系，此時(shí)，復合材料中使用的基體樹(shù)脂最多。為了盡可能降低填料堆砌密度，往往選用縱橫長(cháng)徑比大的顆粒，纖維或高長(cháng)徑比針狀顆粒最為有效。這類(lèi)顆粒在靜態(tài)下難以相互取向，因而形成松懈的體系，占有大量體積。
?。?）吸油值
吸油值是無(wú)機礦物填料的主要性能指標之一。填料吸油值的大小影響填充體系增塑助劑的用量和材料的可加工性。吸油值低的填料，填充體系的可加工性好，容易與樹(shù)脂混合，可以減少增塑助劑的用量。
無(wú)機礦物填料的吸油值與其粒度大小和粒度分布、顆粒形狀、比表面積等有關(guān)；粒度越細，比表面積越高，其吸油值越大。對于相同細度的同類(lèi)無(wú)機礦物填料，表面有機改性可以降低無(wú)機礦物填料的吸油值。
?。?）硬度
無(wú)機礦物填料的硬度與填充材料加工設備的磨損關(guān)系較大。人們不希望使用填料帶來(lái)的效益被加工設備的磨損抵消。一方面，硬度大的無(wú)機礦物填料可以提高填充材料的耐磨性而被人們所重視。當然，硬度大小不同的無(wú)機礦物填料對加工設備的磨損是不同的；另一方面，對于某種硬度的填料，加工設備的金屬表面的磨損強度隨填料粒徑的增加而上升，到一定粒徑后其磨損強度趨于穩定。
此外，設備磨損也與設備的材質(zhì)有關(guān)，設備材料的硬度越高，對于同一硬度的無(wú)機礦物填料磨損強度越小。
?。?）顏色和光學(xué)特性
除專(zhuān)門(mén)用于材料著(zhù)色的填料外，填料本身的顏色也是應用時(shí)的主要考慮因素之一。為了對所填充的材料基體的色澤不帶來(lái)明顯變化或者對基體的著(zhù)色不帶來(lái)不利影響，通常都希望填料本身是白色的，而且白色越高越好。
填料的折射率和樹(shù)脂基體的折射率有所不同，填料折射率與基體樹(shù)脂折射率（通常在1.50左右）之間的差別使填充材料的透明性受到顯著(zhù)影響，對填充材料著(zhù)色的色澤深淺及鮮艷程度也有影響。
紫外線(xiàn)可使聚合物的大分子發(fā)生分解，炭黑和石墨填料由于可以吸收紫外線(xiàn)（波長(cháng)0.01-0.4um），可以保護所填充的聚合物避免因紫外線(xiàn)照射引發(fā)降解。
紅外線(xiàn)是0.7um以上波長(cháng)范圍的光波，有些填料，如云母、高嶺土、滑石等，可以吸收或反射該波長(cháng)范圍的光波，可以降低紅外線(xiàn)的透過(guò)率。
?。?）熱性能
填充材料加工大多涉及加熱、熔融、冷卻定型等過(guò)程，無(wú)機礦物填料的熱性能及其與高聚物基體之間的差別同樣也會(huì )對加工過(guò)程產(chǎn)生影響。
大多數無(wú)機礦物填料的線(xiàn)膨脹系數在（1-10）×10-6K-1范圍內，而多數聚合物的線(xiàn)膨脹系數則在（60-150）×10-6K-1范圍內，后者通常是前者的幾倍至十幾倍。
高分子聚合物容易燃燒，無(wú)機礦物填料由于本身的不燃性或難燃性填充到聚合物中后可以起到減小可燃物濃度、延緩或阻止基體燃燒的作用，如氫氧化鎂和氫氧化鋁分別在200℃和340℃左右開(kāi)始分解成氧化物和水。由于此分解反應為吸熱反應，釋放出的水和生成的不燃氧化物可以起到降低燃燒區溫度、隔絕材料與周?chē)諝饨佑|的作用，從而達到滅火目的。
?。?0）電性能
除石墨外，大多數無(wú)機礦物填料都是電絕緣體。
3、無(wú)機礦物填料的主要作用
無(wú)機礦物填料的主要作用是增量、增強和賦予功能。
?。?）增量添加廉價(jià)的無(wú)機礦物填料以降低制品的成本，例如，在塑料、橡膠、膠黏劑等中填充碳酸鈣（包括重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣）以降低有機樹(shù)脂或高聚物的用量；在紙張中填充碳酸鈣、滑石粉以減少紙漿或紙纖維的用量。這種無(wú)機礦物填料也被稱(chēng)為增量填充劑。
?。?）增強提高高聚物基復合材料，如塑料、橡膠、膠黏劑等的力學(xué)性能（包括彈性模量、拉伸強度、剛性、撕裂強度、沖擊強度、摩擦系數、耐磨性等）。無(wú)機礦物填料的增強主要取決于對其粒度或比表面積和顆粒形狀。粒徑小于5um的超細無(wú)機礦物填料和硅灰石、透輝石、透閃石、石棉等針狀無(wú)機礦物填料及云母、滑石、高嶺土、石墨等片狀無(wú)機礦物填料具有一定和不同程度的增強或補強功能。一般來(lái)說(shuō)，各種填料的增強效果順序為：纖維填料＞片狀填料＞球狀填料。反之，各種填料在基料中的流動(dòng)性順序大致為：球狀填料＞片狀填料＞纖維填料。
?。?）賦予功能無(wú)機礦物填料可賦予填充材料某些功能，如塑料和橡膠制品的尺寸穩定性、阻燃或難燃性、耐磨性、絕緣性或導電性、隔熱或導熱性、隔聲性、抗菌性等；涂料的耐濕擦洗性、耐磨性、耐腐蝕性、耐候性、遮蓋力、凈化空氣、調濕性等；紙品的優(yōu)良吸墨性和印刷性等。此時(shí)，無(wú)機礦物填料的化學(xué)組成、晶體結構、光熱、電、磁等性質(zhì)以及比表面積和顆粒形狀起重要的作用。無(wú)機礦物填料主要賦予復合材料的功能見(jiàn)表1-1。
表3 賦予功能效果和相應的填料
4、無(wú)機礦物填料的地位
礦物填料在現代材料工業(yè)，如塑料、橡膠、膠黏劑、化纖、涂料、造紙、膠凝材料、建材等工業(yè)中具有重要地位，而且隨著(zhù)新材料工業(yè)，特別是復合材料工業(yè)的發(fā)展日益顯得突出和重要，主要原因如下。
?。?）它是在保證使用性能要求的前提下降低材料生產(chǎn)成本最有效的原料或輔料。由于無(wú)機礦物填料，特別是作為普通增量填料的碳酸鈣、陶土、滑石粉等價(jià)格較低，而作為塑料制品、橡膠制品、膠黏劑、化纖、紙漿等基料的樹(shù)脂價(jià)格顯著(zhù)高于無(wú)機礦物填料，因此，在這些制品中填充一定量的無(wú)機礦物填料可以在滿(mǎn)足相關(guān)產(chǎn)品標準，保證使用性能要求的前提下，顯著(zhù)降低材料的生產(chǎn)成本。
?。?）它是獲得具有獨特功能復合材料最方便和有效的填料?，F代科技、經(jīng)濟和社會(huì )的發(fā)展對材料的功能性要求越來(lái)越高。單一的原料和配方越來(lái)越難以滿(mǎn)足日趨提高的使用要求。對于高聚物基復合材料，如塑料、橡膠、膠黏劑來(lái)說(shuō)，從高分子合成角度開(kāi)發(fā)具有獨特功能的全新結構的高分子化合物有時(shí)是難以實(shí)現的，有時(shí)則可能耗資巨大，耗時(shí)很長(cháng)，而采用礦物填料填充改性常常是比較方便和易于實(shí)現的。
?。?）它是綜合利用礦產(chǎn)資源、替代或節約樹(shù)脂的重要材料?，F代發(fā)展最為迅速的高分子材料是以樹(shù)脂為基料的非金屬材料，而合成樹(shù)脂的原料是石油。非金屬礦是儲量豐富、部分與金屬礦和固體燃料礦共生的礦產(chǎn)資源，將其綜合利用并加工成礦物填料用于填充到樹(shù)脂中生產(chǎn)高聚物基復合材料，在降低材料成本和賦予材料一定功能的前提下，還可以節約大量石油。目前塑料制品中無(wú)機礦物填料的用量平均已達到10%以上，部分塑料制品中礦物填料的用量已達到30%以上。
?。?）它是提高材料或制品技術(shù)含量、增加其附加值的最適宜填料。無(wú)機礦物填料來(lái)源廣、品種多，可以加工成適應不同應用要求的功能填料，可以提升填充材料的產(chǎn)品技術(shù)含量從而增加其附加值。例如，在塑料制品中填充經(jīng)過(guò)表面處理的超細碳酸以提高其韌性；添加片狀結構的滑石和針狀結構的硅灰石可以提高其強度；添加經(jīng)過(guò)表面改性的超細氫氧化鋁和氫氧化鎂可以替代有機阻燃劑賦予其優(yōu)良的阻燃性能；在建筑涂料中添加煅燒高嶺土可以提高涂膜的強度和耐濕擦洗性；在紙品中填充滑石和碳酸鈣可以提高其白度、平整度和印刷性；在橡膠中添加超細片狀高嶺土可以提高其強度和氣體阻隔性等。由于可以根據材料性能的要求從成分、結構、表面性質(zhì)等方面性質(zhì)等方面選擇無(wú)機礦物填料，能滿(mǎn)足不同應用的要求，可以在某一方面和幾個(gè)方面顯著(zhù)提高填充材料或制品的技術(shù)含量，因此可以顯著(zhù)增加填充材料的附加值。
因此，可以說(shuō)無(wú)機礦物填料為新型功能材料，特別是復合材料的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。
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目錄
第1章 緒論
1.1 無(wú)機礦物填料及其分類(lèi)
1.2 無(wú)機礦物填料的特性、作用與地位
1.3 無(wú)機礦物填料的應用及發(fā)展
1.4 無(wú)機礦物填料加工技術(shù)的主要內容
1.5 無(wú)機礦物填料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
第2章 無(wú)機礦物填料原料的提純
2.1 提純原理
2.2 提純方法
2.3 提純設備
第3章 無(wú)機礦物填料的粉碎與分級
3.1 粉碎原理
3.2 分級原理
3.3 粉碎與分級設備
第4章 無(wú)機礦物填料的有機表面改性
4.1 表面改性的目的
4.2 表面有機改性原理與方法
4.3 表面改性工藝
4.4 表面改性劑
4.5 表面改性設備
第5章 礦物填料的無(wú)機復合
5.1 概述
5.2 物理復合方法
5.3 化學(xué)復合方法
5.4 機械力化學(xué)復合
第6章 無(wú)機礦物填料的造粒
6.1 概述
6.2 造粒原理
6.3 造粒方法與設備
6.4 造粒方法的選擇
第7章 無(wú)機礦物填料性能的檢測與評價(jià)
7.1 粒度與粒度分布
7.2 顆粒形狀（貌）
7.3 比表面積
7.4 物相與化學(xué)成分
7.5 吸油值
7.6 活化指數
7.7 黏度
7.8 分散性能
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