5　填料的选择与处理

　　填料是模塑料的主要组分之一。其作用是比较复杂的，归结起来主要是降低成本，调节流动性，改善外观，减少或避免收缩与开裂。

　　5.1　填科的选择

　　选择填料时要能满足上述4方面要求。常用的填料是碳酸钙。碳酸钙具有较好的综合性能，价格也低，故大多数模塑料制品选用碳酸钙作填料。此外也常加入配用填料来调节制品性能。以满足特定要求。配用填料加入量一般不超过20％。但三水合氧化铝可加入到填料总量的50％～70％。这种配合填料主要有以下4种。
　　(1)细碳酸钙粉　常用以改善制品表面状况。
　　(2)滑石粉　具有高吸油率，可减少模塑料在压型时产生过分的流动而使模腔中出现空隙或过多地溢出；同时又可减少模塑料的黏着性，便于配料及使用操作。
　　(3)瓷土　其吸油率高，可减少流动性，同时提高制品的耐候性和耐化学性。
　　(4)煅烧黏土　可用于电气绝缘方面。
　　对于填料颗粒度的要求有平均颗粒度和颗粒度分布两方面。一般平均颗粒度以5μm左右为好，大颗粒度不宜超过20μm，超过20μm的颗粒会给制品性能造成不利的影响。颗粒表面要光滑。典型的碳酸钙颗粒分布见图16-21。

　　5.2　填料的表面处理

　　填料一般要进行表面处理。经过处理的填料可使模塑料保持未处理前的流动性，同时可加大填充量，且易于分散均匀。表面处理剂主要有两类。
　　(1)羧酸酯类　羧酸酯类如硬脂酸钙。它用作处理剂需注意可能会引起制品表面“起霜”，特别是采用高剪切搅拌机搅拌树脂和填料时，可能会产生这种现象。用硬脂酸盐被覆的碳酸钙在填料表面会产生与硬脂酸的化学键合作用，故所被覆的处理剂不易被剪切除掉。
　　(2)用树脂被覆　用树脂被覆填料可以提高粘结力和耐候性。
　　表面处理后，填料的吸油率降低，充填率上升。各种填料的吸油率排列顺序(由低到高)为；处理过的方解石→处理过的白垩粉→未处理的方解石→未处理的白垩粉→处理过的沉积碳酸钙→黏土、高岭土→滑石。
　　方解石与自垩粉经处理后其吸油率下降，见表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，因此人们常希望向模塑料中尽可能多地加填料。但填料的不同类型及其颗粒度分散性将影响树脂混合料的流动性，因而影响各种填料的加入量。图16-22为某些填料对树脂混合料黏度的影响。一般填料加入量为100～300质量份(以聚酯树脂用量为100质量份计)。由图16-22可见，不同的填料在树脂混合料中的可加入量差别很大。颗粒度较细的滑石粉和沉积碳酸钙会产生高黏度，因而加入量少。

　　填料的吸油率影响树脂混合料的黏度。填料经表面处理后吸油率下降，充填量上升，故即使表面处理增大了成本，但充填量上升也会使成本降低更多。图16-23为两种填料――高吸油率的白垩粉和低吸油率的表面处理粉料所节省费用的对比。
　　树脂混合料的黏度受温度影响很大，可适当调节温度，使混合料具有适的黏度。图16-24为碳酸钙填料充填量为60％时混合料黏度与温度的关系。可见混合料黏度随温度上升而按对数曲线下降。

　　5.4　填料的规格与性能测定

　　由于填料在模塑料中具有改进流变性的作用，保证模塑料在压型时能呈均匀流动而不致有树脂或玻璃纤维滤出，这种性能对模塑料具有极大重要性，因此对所选用的填料必须提出确定的规格与性能要求，主要包括颗粒度及颗粒度分布、颗粒形态、吸收能力(即吸油率)、充填率。
　　(1)颗粒度及颗粒度分布   颗粒度的快速测定法是用规定的筛子过筛，测定其筛余物。筛孔尺寸43μm，要进行湿筛，即有蒸汽时过筛，或使填料含水再分散后过筛，筛余物为粗颗粒及结块，将筛余物干燥后称重，不得超过总量的0.2％。
　　颗粒度分布可采用不同的方法测定，常用的是液体比重计，方法简便。参阅ASTM D 422-54T，也可用滴管测定，即将固定比例的填料在水中的悬浮液，从沉淀开始，在不同时间内采样进行测定。后颗粒度分布可作出曲线，其一例见图16-25。

　　(2)颗粒形态   颗粒形态早是用光学显微镜观察，测定用统计平均直径来表示。先配成合适的填料悬浮液，防止结块，然后取样测定，将测得数据进行统计计算得平均直径：

　　式中d――测得的颗粒直径；
　　　　n――颗粒数。
　　(3)吸收能力　吸收能力也称吸油率，其测定方法见ASTM D 281-31第28部分。主要是测定对给定量的填料刚刚达到饱和湿透所需的树脂量，表示为“g／100g”。该值对树脂混合料的黏度有很大影响，并受填料细度、表面积、相对密度等性能影响。吸收能力高时表示填料细而多孔。
　　(4)充填率　可测定黏合剂的体积以及填料体积，然后按下式计算：

　　上式表示在复合材料总体积中使填料浸透所用黏合剂所占体积。也可将分子改为填料体积。即得总体积中的填料体积分数，按此法也可进一步测定制品中的空隙度。

　　5.5　填料对制品外观的影响

　　填料对制品外观质量影响很大，填料使用不当时可能造成两种外观缺陷。
　　(1)小型针孔或气泡　这种缺陷主要是填料中的粗颗粒所造成，故必须规定颗粒度的尺寸上限为20μm。另一方面要求颗粒度分布要窄些。平均颗粒度较高而分布范围较窄的填料比平均颗粒度虽低但具有较大颗粒的填料好。
　　(2)大范围的波纹与皱痕　这种缺陷主要是制品固化时收缩率过高造成的，如采用低收缩率树脂系统这种情况可以缓和。如果收缩率大再加上玻璃纤维分布不均匀，即产生表面上长的波纹，采用合适的填料可以避免这一缺陷。随着填料含量的上升制品的收缩会下降，但充填量有一定限度，取决于树脂混合料的黏度及填料的吸油率。故充填率应在树脂混合料的合适黏度许可下尽量使制品收缩率减少，图16-26即为未处理的方解石填料充填量与制品收缩率的变化曲线。

　　5.6　填料对制品力学性能的影响

　　填料含量较少时对制品力学性能影响不大，但充填量较高时有以下影响。
　　(1)随充填量增加制品弯曲与拉伸模量上升　在模塑料常用充填量范围内弯曲模量急剧上升。图16-27所示在50％～70％充填量范围内，弯曲模量上升25％。

　　(2)在高填充量时拉伸强度与弯曲强度显著下降　因填料含量高的制品中填料分散差、树脂浸不透，故造成局部应力集中而破坏。
　　(3)随着填料充填量的上升，制品冲击强度下降　实际上颗粒性填料可使树脂基体脆化；未充填的树脂断裂强度为30～80MPa，弹性模量3.0GPa。填料与树脂比例为(1.1～1.5):1的SMC和(2～3):1的DMC，其断裂强度为10～30MPa，弹性模量为6.1～11.6GPa。其断裂变形为0.25％左右。高填充量时应力-应变曲线近于直线，见图16-28。
　　对于SMC或BMC制品，因含有玻璃纤维，故应力-应变曲线出现某个转折点，在应变小于25％时树脂与填料基体承担应力到破裂，以后由玻璃纤维单独承担应力到断裂，玻璃纤维束的断裂强度为1.2～1.9GPa，断裂时变形约2％，见图16-29。由此可见，模塑料的破坏经历3个阶段。

　　①弹性变形阶段，由负荷加载起至树脂基体破坏。
　　②树脂混合体基体多处开裂破坏，同时模量下降。
　　③第二次弹性变形阶段，由纤维承担全部荷载至达到破坏应力。