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金屬填料在塑料工業(yè)中的應用
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【塑膠五金網】摘 要： 金屬材料與塑料在很多方面有著極為對立的矛盾，將金屬材料應用在塑料制品 中，可賦予塑料制品特殊性能，本文對此進行了介紹。
關鍵詞： 金屬 填料 塑料 應用
1 前 言
近年來塑料的填充改性得到了飛速發(fā)展，無機填料在塑料制品中得到廣泛應用。以 金屬粉末作為填料應用在塑料制品中，可賦予塑料制品許多特殊性能，例如，導熱性、 導電性、熱容性，對磁場的感應和防輻射等。采用金屬粉末為填料的復合樹脂材料可作 為金屬修補材料、黏合劑、磁帶、防腐蝕涂層等。在電子工業(yè)、軍事工業(yè)等方面有著特 殊的用途。
2 金屬填料的種類
目前，塑料的金屬填料主要有鋼、鐵、銅、銅合金、鋁、鋅、銀、鎳、鉛粉等。其 制備方法和產品分類簡述如下。
2.1 鐵
主要是海綿鐵，是粉末法制備金屬零部件 常見的金屬。其他通用的復合物包括電 解鐵、硅鐵、硫化鐵、鐵-碳、鐵-銅-鐵、鎳鋼、不銹鋼和鎳-鉬-鋼等一些特別的 鐵復合物。電解粉和從羧基鐵熱分解制取的鐵粉使用于像磁帶、油墨、醫(yī)藥用品工業(yè)。 直接還原鐵粉有廣泛的應用. 軋屑是制備鐵粉的原料氧化鐵的重要來源。此外還有的方 法是把熔鐵爐中熔融狀的高碳鋼粉化，然后用高壓水噴嘴使熔融狀的低碳鋼進行脫碳 粉化。
2.2 銅
銅及其合金可制成粉末使用。有多種制備方法，如熔融狀銅的空氣噴霧，銅溶液的 電解法和用氫還原銅溶液等。還有一種方法需要高溫和高壓?？捎妙愃品椒ㄉa鎳粉和 鈷粉。為了防止大氣中的氧對銅粉末的影響，以采用銅合金制備，如黃銅、青銅等加工 成合金粉末。
2.3 鋁
鋁及鋁合金可在一個錘式碎礦機中粉碎，并在球磨機中使粒徑減小到所需要尺 寸。熔融的合金也可以被高速空氣流噴霧成很小的球形顆粒，然后把這些顆粒在球 磨機中進一步研磨到所需的細度，再用空氣浮選法將它們分級。還有用平輥軋法制 成鱗片狀定向薄片層粉末鋁粉、青銅粉、銅粉，當加入制品表面覆蓋層時起到電鍍 金屬的效果。
2.4 鉛和鋅
對鉛和鋅這種熔點低的金屬，可以用霧化法生產出細小的微粒。鉛具有防輻射的特 殊性質，鋅在外部涂層中，是當作電解元素應用的。
2.5 銀和鎳
銀和鎳是較貴重金屬，在塑料中填充后，可明顯提高其塑料制品的導電性和耐熱 性。將銀加工成納米級狀材料，用于塑料制品中，可有抑制細菌繁殖的功效。如抗菌塑 料，在冰箱、洗衣機、廚具、鞋類等方面已得到應用。
3 金屬填料的特殊性能
3.1 導熱性
由于金屬導熱性高，電阻低，所以可用以改善塑料的導熱性和導電性。通過金屬填 料，如銅和鋁主要用于提高導熱性，金和銀由于其價格昂貴只在個別的電器制品上使 用。金屬填料顆粒的大小、形狀、分布和濃度都是影響導熱性的重要因素。故有時使用 球形微粒，有時使用纖維狀或絲網填料，有時采用長徑比為50：1的金屬填料來改善制 品的導熱性。
3.2 熱容性
復合材料的熱容性可以看作是依賴于比熱、導熱性和金屬填料的體積含量的性能 指標。一般說來，有機物基體導熱性低，比熱約為0.3J/(kg·K)。因此，熱容量的 大幅度增加是由于與大量固體金屬毗連，或者由于應用金屬填充樹脂體系的澆注復 合緣故。這如同起到一個散熱器的作用。起到吸熱器作用的非金屬填料是二氧化硅、 氧化鋁和氧化鈹。在設計時往往考慮雙層涂布法。即 層是樹脂，用于覆蓋，并 使電子元件得到絕緣。第二層是金屬填料高度填充的復合體，它起增加熱容量和散 熱器的作用。
3.3 玻璃化轉變溫度
在樹脂基體中加入金屬粉末，并不能提高樹脂的玻璃化溫度。
3.4 熱膨脹系數
當金屬填料充填量小時，影響熱膨脹系數的主要因素是樹脂基體，然而當金屬填料 的體積含量相當高時，金屬填料對制品的熱膨脹系數將具有顯著影響。
3.5 電性能
金屬填料雖然降低了塑料制品的絕緣性能，但對絕緣性要求不高時，它的加入可獲 得另一些有益的電效應。在這種情況下，金屬顆粒將改進塑料制品的導熱性，降低操作 溫度和局部過熱點，這將延長其使用壽命。下面列舉一些具體的電性能。
(1) 介電強度
當金屬填料用量增加時，介電強度明顯降低。
(2) 電阻
金屬填料的填充量提高時，電阻降低，在填充量相等時，長徑比大的顆粒使電阻的 降低值大于長徑比小的。
(3) 介電常數
在電介質中加入金屬粉末，則使介電常數增加。但是電阻的減少已足夠抵消增加介 電常數所獲得的好處。在電介質中，加入金屬填料并控制其分布，提供了制造具有不同 介電常數的復合材料的方法。
(4) 介電損耗因子
由于加入金屬填料，補償了電介質的低的損耗因子，所以在各種頻率下的介電損耗 因子將會增大。
(5) 磁性混合料
磁帶、磁盤、磁卡等 工業(yè)的發(fā)展，需要采用可磁化的粒子與有機材料復合在一 起的方法，其產品可使用在通信工業(yè)上。鎳、鈷和鐵合金細粉加入到有機樹脂基體中 時，具有很容易磁化的性能，這一點成為很多工業(yè)應用的基礎。電子脈沖的高速度記錄 就是一例，從人造地球通信衛(wèi)星到電子計算機的磁盤、磁帶儲存是它們應用的一個標 志。處于各種物理狀態(tài)下的磁性粒子都能促進上述的應用。
在制造較大的磁性元件時，因其硬度較高，所以進行機械加工和拋光。而利用磁性 顆粒分布在液態(tài)樹脂如環(huán)氧樹脂中，接著加入一種固化劑，形成一種容易澆鑄的復合材 料，就能很方便地制成各種形狀的磁性元件。
(6) 導電性
有關金屬顆粒增加樹脂基體的導電性的文獻是不勝枚舉的。已有許多工業(yè)上使用的 導電黏合劑和焊料供電子、電氣工業(yè)使用。把優(yōu)良的導電金屬填料 (銀、銅、鋁、金) 加入到樹脂基體中去的主要方法有：
?、俨捎眯行驱X輪混合法，把高濃度、磨得很細的金屬填料粉末加入液體樹脂基體中 去，同時用三輥磨研磨。
?、谕瑯拥姆椒▽氡砻嫱垮兘饘俚那蛐挝⒘?。
?、郯焰嚒X、銅微粒(5%～10%) 填充于像聚氯乙烯這樣的熱塑性塑料。熔融和 高壓導致了貴金屬填料 小的填充量，且形成金屬的網狀結構。為了增加導電性，西德 和日本已研究出金屬填料的模塑復合物。
4 金屬填料在塑料加工業(yè)中的應用
金屬填充于有機高聚物的應用是多種多樣的，下面簡要介紹幾種。
4.1 降低摩擦力
非金屬軸承具有操作平穩(wěn)，可減輕沖擊應力及可以在尼龍軸承和層壓酚醛軸頸上用 水進行潤滑的優(yōu)點而受到重視。近來由于化學惰性和摩擦因數低，聚四氟乙烯已用來制 作軸承表面?，F在在復合材料中加入鉛、鋅、二硫化鉬等金屬填料則可以大大降低摩擦 力。據測定加入金屬填料可以使聚四氟乙烯軸承的損耗率降到原來的1/10。現在粉末 金屬填料還用在剎車裝置和離合器上，銅粉用于制作含石棉的離合器襯片就是一個具體 的例子。
4.2 降低透濕性
在有機防護涂料中加入層狀或懸浮狀鋁粉，可以提高涂料薄層抵抗?jié)駳饨傅哪?力。填料加入量在10%以下，卻顯著地提高抗?jié)裥浴?/p>
4.3 導電黏合劑
銅粉和銀粉大量使用于導電性工業(yè)黏合劑中，這些黏合劑價格并不貴。它們可應用 于電氣元件和不能采用銅焊和銀焊的裝置。這時采用室溫固化和銀粉來填充環(huán)氧樹脂膠 黏劑較好。此時粘接強度、體積電阻以及銀粉的用量之間需要細心的平衡。
對于小型電氣元件，在使用過程和潮濕的條件下，除要有優(yōu)良穩(wěn)定的性能外，具有 優(yōu)良的剪切強度較為重要，并應在使用填料前，獲得抗老化實驗數據非常重要。
4.4 固體火箭燃料
細碎的鋁粉可應用在由樹脂基體和氧化劑組成的固體火箭燃料系統(tǒng)，以增強燃料的 推進力和火箭特殊的脈沖力。由于鎂粉在煙花爆竹中應用的歷史，可以想象用很細的金 屬粉末去控制燃料的性能。
4.5 防污染涂料
用銅或銅的氧化物細粉加入有機基體中做成防污染涂料涂覆于遠洋貨輪的船底。已 經證實，這些防污染涂料可以有效地減緩船艇底部的海水浸蝕。特別在海水和被污染的 水中，船艦底部累積的污物已多至使船艦速度顯著降低的程度。銅離子所以能抑制污物 的增長，實際上是通過不斷暴露新的銅層和海水鹽發(fā)生化學變化來完成的，故需要不斷 補充防污涂料。
4.6 防腐蝕油漆
防腐蝕油漆 的成果——鍍鋅鋼在工業(yè)上應用中的抗腐蝕效能，已經導致鋅粉在 表面涂料中的應用。用鋅做保護組分，鋅和鋼結合在一起使用時，首先被腐蝕的是鋅， 從而延長鋼構件的使用壽命。在防腐蝕油漆二組分或三組分體系中，鋅是作為獨立組分 加入的。例如，在環(huán)氧樹脂和聚酰胺中，可加入大量的鋅粉，以獲得 大的抗腐蝕性。
4.7 保養(yǎng)和修補材料
粉末金屬、樹脂基體材料可作為維護和修補材料。例如 “鋼填充涂膠”，它和鋁填 充、青銅填充的涂料用在維護、修補的品種已達上千種。促進了對諸如 “冷澆注鋼” 的重視，已廣泛采用環(huán)氧樹脂、金屬粉末新材料。用的 多的是鋼和鋁的粉末。已應用 于下列場合：
?、儆娩撎畛涞耐磕z，在焊接的儲槽和船體上用于鉚釘頭處進行涂抹和勾縫。
②用青銅粉填充的修補材料修補螺旋槳受腐蝕的表面。
?、垆X填充的復合料，用于修復鋁合金制造的設備并增加粘接強度。同時發(fā)現鋁填充 的黏合劑很適于粘接纖維素材料制造的設備。
?、軡茶T鋁填充的熱固性復合物，用于制造模具和靠模。
?、萦娩X (灰色) 填充的環(huán)氧樹脂膠黏材料或鐵 (墨色) 填充的環(huán)氧樹脂膠黏劑， 可以把金屬元件固定在普通混凝土中。
?、抻媒饘偬畛涞沫h(huán)氧樹脂膠黏材料，可以修補上百種零部件和法蘭盤、閥門、轉動 軸、散熱片等。
?、呖捎糜阼T件的陽模、復模、模板、鑄模等的修補。
⑧現在已經可以用金屬填充的塑料復合材料去制造某些工具。例如，金屬焊接夾具 和裝配工具，以及耐高溫工具。
?、嵊媒饘偬畛溆袡C基體制成防輻射的彈性料，主要用于：
a. 車身焊接 一些主要的汽車生產廠家很重視用金屬填充的塑料去填補車身的接 縫和裂痕。還包括汽車的修補和保養(yǎng)。
b. 電子工業(yè) 在電子工業(yè)中，使用填充樹脂系統(tǒng)的金屬主要是銅、銀、鈀、金， 用于制造導電的焊料、半導體元件、特殊蓄電池、電容器、散熱片、印刷電路底板等。
c. 防輻射 在核時代所有國家的輻射控制和防護的意義日益增大。某些金屬對β 射線、γ射線和中子射線的防護起到重要作用。使用這些金屬粉末填充塑料基體中制成 的各種防護材料的應用日益增長。
隨著金屬粉末填料應用的日益廣泛，金屬填充樹脂復合材料的應用前景極為廣闊， 具有極大的發(fā)展趨勢。
5 金屬填料對塑料性能的影響
把研磨得很細的金屬粉末分散摻入有機樹脂基體中，發(fā)現了許多工業(yè)上有價值的應 用。在選擇使用金屬填料時一定弄清金屬填料對塑料性能的影響。例如，有的人可能會 認為加入鋼粉這類金屬填料，可以改善脆弱性能較大的有機聚合物的硬度和強度。實際 并非如此，相反拉伸強度還可能會進一步下降。但是從密度、外觀和對磁場靈敏度等性 能方面考慮，加入鋼粉這種金屬填料是十分有用的。
金屬填料的加入對塑料性能有著許多意想不到的影響，其主要影響參見表1。
表1 金屬填料對塑料性能的影響
|
性 質 |
增加金屬填料對塑料的影響 |
|
拉伸和彎曲強度 彎曲模量和壓縮模量 固化收縮 密度 體積電阻和介電強度 介電常數 損耗因子 導熱率 熱膨脹系數 玻璃化轉變溫度 |
緩慢的下降 增加 減少 為體積含量的函數，一般相對密度增加 減少 增加 增加 增加 增加 稍有改變或無改變 |
上表列出的物理性能的降低，一部分原因是在混合操作時帶進了空氣和水分，這些 因素特殊影響拉伸強度和彎曲強度。另一部分原因是金屬微粒的堆砌形式。此外金屬微 粒的幾何形狀，如長徑比高的晶須、纖維對復合材料性能的影響大于金屬種類的影響。
金屬填料與有機樹脂為基體的復合，在金屬與塑料的界面上，還可能形成金屬-有 機絡合物，它可起到促進劑的作用，有利于固化的進行。在另一方面，例如，像鹵化 烯烴配方中含有微量的鐵和鋅時會促進降解作用。
金屬填料加入的體積含量對塑料材料的電、熱和物理性能都有顯著的影響。只要樹 脂基體能包裹著金屬填料的微粒，就可以看到上表所列出對性能的影響。要指出的是當 填料用量增大致使金屬填料之間互相接觸程度時，復合材料的性能有時會有較突出的轉 變。測量銀粉充填的環(huán)氧樹脂的導電性時可以明顯地看到這一點。當銀的用量達到某一 數值時，電阻率會突然大幅度下降。
由于顆粒大小與形狀對填有金屬粒子的塑料復合材料的性能有較大的影響，因而可 以從這些方面進行選擇。例如，扁平狀、平板狀的鋁和銅合金的微粒適合于加入到涂料 中去，因為它可以使涂料有光亮的涂層。纖維狀、晶須狀的鐵合金微粒能提高樹脂復合 材料的沖擊強度。當然各種幾何形狀的微粒的裝備必須由相關技術手段來獲得。此外堆 砌問題已提到要加以重視的地步。
6 結 束 語
金屬填料與有機聚合物屬兩類性能相差甚遠的材料，采用先進的生產工藝和特殊的 加工方法 (金屬填料的粉末加工)，使其混合在一起，制造的產品具有特殊的性能，又 能避其所短，揚其所長，擴大合成樹脂的應用領域。金屬填料可提高塑料制品導熱性、 摩擦因數并具有良好的電性能、防腐蝕性，減小透濕性，可廣泛用于電子工業(yè)、軍工、 汽車工業(yè)、機械制造等行業(yè)，發(fā)展前景廣闊，具有明顯的經濟效益和社會效益。
金屬填料在塑料工業(yè)中的應用推廣，由于材料的特異性，還有很多問題尚待進一步 探討。
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