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1、填料的定義及作用

填料是用以改善復(fù)合材料性能（如硬度、剛度及沖擊強(qiáng)度等），并能降低成本的固體添加劑，它與增強(qiáng)材料不同，填料呈顆粒狀。而呈纖維狀的增強(qiáng)材料不作為填料。

填料的作用：

①降低成型制件的收縮率，提高制品的尺寸穩(wěn)定性、表面光潔度、平滑性以及平光性或無光性等；

②樹脂粘度有效的調(diào)節(jié)劑；

③可滿足不同性能要求，提高耐磨性、改善導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等，大多數(shù)填料能提高材料沖擊強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度，但不能提高拉伸強(qiáng)度；

④可提高顏料的著色效果；

⑤某些填料具有極好的光穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性；

⑥有增容作用，可降低成本，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力。

2、填料剛性粒子增韌聚合物機(jī)理

利用填料剛性粒子增韌聚合物的機(jī)理模型如圖1所示。主要包含三個(gè)階段：

1）應(yīng)力集中。由于填料剛性粒子與聚合物基體具有不同的彈性，填料剛性粒子在聚合物基體中作為應(yīng)力集中。

2）脫粘。當(dāng)材料發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)力集中使粒子周圍產(chǎn)生三維應(yīng)力，并導(dǎo)致粒子和基體的界面脫粘。

3）剪切屈服。由于脫粘所造成的空洞使粒子周圍基體的應(yīng)力狀態(tài)從平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力，并誘導(dǎo)基體剪切形變，從而耗散大量能量，提高復(fù)合材料韌性。

圖1.無機(jī)剛性粒子增韌聚合物的機(jī)理模型

3、填料對TPE性能的影響

表1填料/TPE比例為10/90，TPE性能參數(shù)

表2填料/TPE比例為35/65，TPE性能參數(shù)

無機(jī)剛性粒子自身的性質(zhì)包括粒子種類、形狀、尺寸、粒徑分布、表面積和孔隙率以及物理、機(jī)械、化學(xué)、熱、光和電等其它性能。其中粒子種類和尺寸是影響其增韌增強(qiáng)TPE效果的重要因素。不同種類和尺寸的填料在復(fù)合體系中的增韌的效果不同，研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣、滑石粉、高嶺土和玻璃微珠在填料/TPE用量比為10/90時(shí)，其他相同條件下填充TPE，增韌效果順序?yàn)椋褐剽}＞高嶺土＞輕鈣＞滑石粉＞玻璃微珠，增強(qiáng)效果順序?yàn)椋翰Ａ⒅椋净郏据p鈣＞重鈣＞玻璃微珠。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)強(qiáng)度比原來減小，說明填料的添加存在最大添加量。

粒徑對其增韌效果具有顯著的影響，粒徑大的粒子更容易在聚合物基體內(nèi)形成缺陷，從而引發(fā)脆性裂紋，損害材料的韌性。而粒子的粒徑越小，比表面積越大，與聚合物發(fā)生物理和化學(xué)結(jié)合的可能性就越大，粒子與基體的界面粘結(jié)效果也更好，當(dāng)材料受到拉伸時(shí)，基體將產(chǎn)生更大的屈服，吸收更多的能，起到更好的增強(qiáng)效果。

一般認(rèn)為，粒子的粒徑要小于5μm。研究不同粒徑的碳酸鈣對TPE材料性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合TPE材料的力學(xué)性能均比純TPE有所提高，且隨著粒徑的減小，沖擊韌性逐漸增大。但粒子的粒徑過小，粒子表面能高，顆粒之間作用力過強(qiáng)而處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，極易聚集成團(tuán)，影響顆粒的實(shí)際增韌效果。

無機(jī)剛性粒子的粒徑分布也是影響增韌效果的重要因素，在等平均粒徑、等體積分?jǐn)?shù)的條件下，粒徑分布變寬可使粒子的表面積減小，從而使損傷競爭準(zhǔn)數(shù)增大，不利于增韌；同時(shí)，當(dāng)粒徑分布寬到一定程度時(shí)，由于材料的斷裂應(yīng)力與缺陷尺寸的平方根成反比，此時(shí)，粒徑較大的粒子對材料的斷裂行為起主要作用，也會(huì)使損傷競爭準(zhǔn)數(shù)增大。

由此可見，粒徑分布變寬，不利于脆韌轉(zhuǎn)變的發(fā)生。綜上可知，在相同的粒子含量下，剛性粒子粒徑要小于使材料產(chǎn)生缺陷的危險(xiǎn)，并且分布要窄，這時(shí)體系的增韌效果達(dá)到最佳。

TPE、無機(jī)剛性粒子的性質(zhì)及用量、無機(jī)粒子與TPE間的界面相互作用、無機(jī)剛性粒子在TPE中的分散情況是影響無機(jī)剛性粒子增強(qiáng)效果的主要因素。在制備復(fù)合材料過程中，除了要增加TPE的強(qiáng)度、選擇適宜粒徑的無機(jī)剛性粒子，才能達(dá)到較好的增韌效果。