化工生产过程中的常用物料，填料在塑料中应用效果会受哪些因素影响？-pg电子竞技平台

2023-01-03 18:27:11  信息编号：k226385  浏览次数：20

填料泛指被填充于其他物体中的物料。在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料，例如鲍尔环和拉西环等，其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合。在化工产品中，填料又称填充剂，是指用以改善加工性能、制品力学性能并（或）降低成本的固体物料。在污水处理领域，主要用于接触氧化工艺，微生物会在填料的表面进行累积，以增大与污水的表面接触，对污水进行降解处理。

填料被广泛应用于化工的生产过程中。你了解填料吗？又该如何正确选择填料呢？

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什么是填料？

填料泛指被填充于其他物体中的物料。

在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料，例如鲍尔环和拉西环等，其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合。

在化工产品中，填料又称填充剂，是指用以改善加工性能、制品力学性能并（或）降低成本的固体物料。

在污水处理领域，主要用于接触氧化工艺，微生物会在填料的表面进行累积，以增大与污水的表面接触，对污水进行降解处理。

优点：结构简单、压力降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造等。对于气体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作，颇为适用。

缺点：当塔颈增大时，引起气液分布不均、接触不良等，造成效率下降，即称为放大效应。同时填料塔还有重量大、造价高、清理检修麻烦、填料损耗大等缺点。

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填料影响塑料哪些性能？

1、硬度

通常测量塑料材料的硬度有球压痕硬度试验和邵氏硬度试验两种方法。球压痕硬度是在规定负荷下，把钢球压入塑料试样，用单位压痕面积上所承受的压力平均值来表示。邵氏硬度是将规定形状的压针在标准的弹簧压力下压入试样，将压针压入试样的深度转换为硬度值。

塑料的硬度和金属、填料本身的硬度不同，就其本质而言它是塑料弹性模量的一种量度，因此填料能使填充塑料的模量提高，同样也能使硬度增加。由于邵氏硬度试验是将尖锐的针头（直径1.25mm，锐角30°—d 型）压入塑料材料内，针尖接触的部位是填料还是塑料基材将影响压入深度，因此球压痕硬度更能准确地反映填充塑料的硬度。

2、摩擦性能

塑料材料用于动态密封或要求耐磨性较高的场合时，通常希望填充塑料具有较低的摩擦因数和较高的抗磨耗能力。

在其他条件一定，只考虑填料因素时，粒度粗且填料量小时，制品表面极不规则，摩擦因数增大；若粒度细且填充量大时，则可控制聚合物的收缩，制品表面光滑且摩擦因数小。作为特殊填料，如聚四氟乙烯粉末、二硫化钼、石墨等自身摩擦因数小的填料，可使材料表面光滑，摩擦因数小。

硬度大的填料，在成型加工过程中容易造成对加工设备与物料接触的部分（如螺杆、机内表面）以及模具型腔或流道表面的磨损，但可提高填充塑料的耐磨性。例如，半硬质聚氯乙烯地板中使用具有高硬度的石英砂做填料，比使用重质碳酸钙其耐磨性显著提高；作为超耐磨塑料的超高相对分子质量聚乙烯板材，如果在其中加入玻璃微珠，其磨耗值可进一步下降，耐磨性可提高30%以上。

3、热性能

填充塑料的耐热性能取决基体树脂，非结晶的聚合物，耐热性能取决玻璃化转变温度；高度结晶的聚合物，耐热性能取决聚合物的熔点。

① 热变形温度 热变形温度是指将试样浸在一等速升温的适当液体中，在静弯曲载荷作用下，试样弯曲变形达到规定值时的温度。由于填料可使体系的弹性模量和黏度增加，故填充塑料的热变形温度都较相应的纯聚合物材料的热变形温度有明显提高。例如，滑石粉或玻璃纤维填充聚丙烯，当填料的质量分数达到20%时，聚丙烯热变形温度可达到130℃以上。

②热膨胀系数  由于填料与基体的热膨胀系数不同，而且基体的热膨胀系数比填料大很多，所以填充塑料的热膨胀系数比纯聚合物的热膨胀系数小，使得成型时收缩率降低，从而提高了制品尺寸精度。但另一方面，填充塑料在成型后冷却时，由于填料与基体的热膨胀系数不同，所以两者收缩不一致，使填料周围存在很高的残余应力，在使用过程中易发生破坏。有时还会因这种不均匀收缩使制品出现扭曲或翘曲，尺寸稳定性变差。

改性填料在基体中分散均匀，可提高填料与树脂界面的黏合力，改善填充塑料的成型加工性和使用稳定性。

③比热容和热导率 填充塑料在混炼、热成型、冷却过程中，与填料的比热容和热导率有密切关系。比热容定义为单位质量的物质每升高一度所需的热量 [j/(kg·k)] 。一般填料的热导率比纯树脂的热导率大，所以填充塑料的热导率比纯树脂大。利用填充塑料这一特点，可以缩短成型加工周期，提高工作效率。

4、光学性能

光学功能性填料主要使用可使光漫反射的玻璃珠。最近还使用新开发的高折射率玻璃珠。添加光学功能性填料的塑料主要用于陆路和水路交通标志等与夜间交通有关的方面。另外，光学功能性填料还用于制造汽车涂料、塔尖、按钮等，也是利用其光的反射、散射效应。例如，在高分子基体中填充经特殊处理氧化钛、微粒状云母、铝箔等，制作由瑞利散射效应或干扰效应产生色彩效果的装饰品。

另外，以远红外辐射为目的的高分子薄膜和片材等，近年在促进植物生长、熟成果实和酒类、促进发酵、人体保暖等方面也得到广泛的应用。这些材料使用的功能性填料有氧化锆、氧化铝、二氧化钛、氧化镁和二氧化硅类无机物，且具有吸收1000cm-1的强红外线辐射的效果。此外，mno2 60%·fe203 20%·cuo 10%·coo 10%的烧结体作为远红外辐射材料可以说非常优异。利用远红外辐射效应的主要产品是农用薄膜，使用的填充剂一般多为镁化合物以及二氧化硅。

5、电性能

填充改性是改善塑料抗静电性的有效途径。在许多场合下静电的产生和释放是造成严重事故和影响计算机正常工作的主要因素，因此对塑料材料的防静电性能提出了严格的要求。例如，煤矿井下使用的各种塑料制品和材料，要求表面电阻必须小于3×108ω。加入有机抗静电剂可以使塑料材料的体积电阻率大大降低，但由于有机抗静电剂的迁移性，其抗静电效果不能持久；而在塑料中添加导电性填料，可以得到永久性抗静电塑料。

金属粉末是制作导电塑料的主要导电填料。但要达到好的导电效果，金属粉末的体积分数必须达到一定值。以银粉填充酚醛塑料为例，当银粉含量低时，银粒子被基体隔开，体系的电阻值无变化;银粉含量增加到30%时，粒子相互接触，形成“粒子接触链”，体系的电阻值开始下降;当银粉体积分数达到40%时，几乎所有的银粉颗粒都加入到“无限长粒子接触链”中，填充体系的体积电阻降到最小值。

石墨、炭黑也是消除塑料静电的最常用填料。当炭黑的质量分数达20%以上时，分散在塑料基体中的炭黑粒子，彼此之间的距离接近时，形成电子流动的网状通道，具有导电效果。

少量的炭黑，还可起着色、吸收紫外线、提高塑料耐老化性、控制热固性模塑料反应等作用。

6、磁性能

具有磁性的塑料易加工成型、生产效率高，可制作形状复杂、尺寸精细的制品。磁性塑料分为结构型和复合型。结构型磁性塑料是指高分子聚合物本身就具有磁性，如聚双2，6-吡啶基辛二腈（pph)；复合型磁性塑料是目前已实现商品化生产的、用磁粉填充塑料而制成的。

复合型磁性塑料所用的磁粉材料有铁氧体类和稀土类两种。铁氧体类磁粉如 bao·6fe2o3、sro· 6fe2o3等，可以制作各向同性磁性塑料，也可制作各向异性磁性塑料。铁氧体类磁粉填充塑料与烧结磁铁相比，具有质轻、柔韧、成型后尺寸收缩小、可制成薄壁或形状复杂的制品等优点，可连续成型，可加入嵌件，化学稳定性好。稀土类磁粉如smco5类和sm2( co、fe、cu、m)17类等，只能生产各向异性磁性塑料。稀土类磁性塑料与烧结稀土类钴磁铁相比，磁性和耐热性较差，但成型加工性和力学性能是烧结型磁铁无法与之相比的。

磁性塑料的磁力强度取决于磁性填料量，填料越多越好，一般为30%~90%。另外填料的结晶形态和取向性能对磁力也有很大的影响。填料晶体形状均匀，且取向性好时，磁场强度也好。稀土类磁性塑料的磁性、力学强度、耐热性能等优于铁氧体类磁性塑料，更适应电子工业对电子电气元件小型化、轻量化、高精密度的要求。

03

影响填料在塑料中应用效果的五个因素

1、吸油值

吸油值也称树脂吸附量，表示填充剂对树脂吸收量的一种指数。在实际应用中，大多数填料用吸油值这个指标来大致预测填料对树脂的需求量。颗粒相同的填料，带空隙的比不带空隙的填料颗粒吸油值要髙，所以油吸附量小的填料在树脂中的用量就可增加。

吸油值对选择填料具有一定的指导意义，它直接影响到模塑料的成本和加工性能。填料吸油值大，有可能会"吃掉"几倍甚至几十倍于自身价格的树脂，这无形中提髙了物料的成本。吸油值上升，树脂的黏度随即上升，这会严重影响其对纤维的浸渍，甚至会改变模塑料的流变性能，使其成型工艺性能变差。所以，为提高填料在模塑料中的含量。所选择的填料以较低的吸油值为好。

为了降低填料对树脂的吸湿性，提高填料的使用量，应该对填料进行表面处理。

2、颗粒度大小和分布

颗粒是填料的基本单元。填料的颗粒度一般用其通过某号筛网所给定的百分数来分级。如99. 8%的颗粒通过127.95网孔数 (325目)的网筛，此填料的细度称为325目。与网筛目相对应的也有用微米表示填料细度的，如果构成网筛金属细丝间距离为44um，那么通网筛的填料也可称为直径为44um的填料。直径比44um大的粒子不能在网筛中通过，但比44um小的粒子却能通过网筛并混在一起，因此，实际上所使用的填料的粒径大小是不等的。

对于填料颗粒度的要求有两项：一是平均颗粒度；二是颗粒度分布。—般平均颗粒度以5um左右为好，最大颗粒度不宜超20um，颗粒表面应光滑。超过20um的颗粒会给制品性能造成不良影响。填料的颗粒大小与吸油值有一定的关系。颗粒较大、平均颗粒为8um填料的总表面积较小，吸油值亦较低，易被树脂所浸润，可以有很高的加入量，如碳酸钙、二氧化硅和粗的滑石粉等。

较细的填料、平均颗粒为5um或更小的填料有高表面积和吸油值，会增加给定填料量的树脂系统的黏度，加入量必然少，如高岭土、细滑石粉、沉淀碳酸钙等。颗粒的粒径分布对填料应用也有重要的影响。如果填料颗粒尺寸分布较宽，那么较小颗粒可以嵌人中等大小颗粒中，而中等大小颗粒又能同样地嵌入较大颗粒中，从而使填料可以排列得比较紧密，这样只要最小量的树脂便可填满颗粒间的空隙。在颗粒间充以适量的树脂（不要太多，以免颗粒分开），在经济上是最划箅的，同时还可获得最佳的力学性能。

3、填充量

许多填料是很便宜的原料，它可以大幅度降低模塑料及其制品的成本，因此人们常希望尽可能向模塑料中多加填料，使填料的填充率高些。但填料的不同类型、颗粒度及其分散性等都将影响树脂混合料的流动性，因而影响到各种填料的加入。实际上，填充率与吸油值有着直接的关系，在黏度一定的条件下，值愈小，填充率就愈髙。当然，实际的填充率是有限度的，要达到最大的填充率是不可能的。

在考虑填充率时，应根据树脂混合料的黏度和填料的吸油值来决定其用量。对于吸油值高的填料，可以对其表面进行化学处理。填料经处理后能显著降低吸油值，增加加入量。虽然填料经表面处理后增加了成本，但由于充填量的上升而使成本降低更多，所以最终还是可以节省成本。

4、触变性

触变是一种物理现象，即当物料受到应力作用时，其黏度显著下降，而当作用停止时，物料又恢复到原来的黏度。触变性敏感的物料，在模塑压力的作用下会造成物料黏度过低，物料流失大，甚至使树脂与增强材料分离。在填料含量髙时，应产生中等程度的触变性。

5、填料的搭配

在使用过程中还可以将两种或多种填料相混合，取长补短，以获得比较理想的效果。这种搭配可以是不同品种填料的搭配，也可以是以不同品种、细度上的搭配或者不同吸油值的搭配等。比如将低吸油值和高流动性的填料进行搭配，就可以使整个系统既有较高的填料含量，又具有良好的流动性。

填料的种类、颗粒度大小和用量对制品的收缩率都有较大的影响。在一般情况下，填料用量多，收缩率低。改变填料的种类和用量可以调节模塑料的黏度，控制物料的成型工艺，从而获得满意的模压制品。综合各种因素，应选择相对密度小、吸油值低、颗粒尺寸分布较宽(1-20um)、平均颗粒尺寸大约为5um、水分含量低、无研磨作用（否则在加工过程中会磨损模具）、成本低的填料。

04

如何选择填料？

填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。

1、填料种类的选择

考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：

传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。

通量要大。在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。

填料层的压降要低。

填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。

2、填料规格的选择

填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。

❶ 散装填料规格的选择

工业塔常用的散装填料主要有dn16、dn25、dn38、dn50、dn76等几种规格。

同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。

因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值d/d应大于8。

❷ 规整填料规格的选择

工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。

同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。

选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。

3、填料材质的选择

填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

❶ 陶瓷填料

陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其 最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。

❷ 塑料填料

塑料填料的材质主要包括聚丙烯（pp）、聚乙烯（pe）及聚氯乙烯（pvc）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。

塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。

塑料填料的缺点是表面润湿性能差，但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。

❸ 金属填料

金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。

碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用。

不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除cl- 以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果。

钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。

一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。

总结

选择填料时，对于某种特殊应用，填料的最佳标准是根据复合材料所期望达到的性能而定，必须考虑到下述基本原则。

1、填料在加工过程中必须保持其原有结构，并保持惰性、不溶性、热稳定性、不挥发性、无催化活性和低的吸附性。

2、填料必须与基材能够相容，无腐蚀性。

3、容易处理，堆积密度高，水分含量低，低尘，无毒性。

4、必须易得，货源充足，价格适中，质量稳定。