金属填料在塑料工业中的应用

　　【塑胶五金网】摘 要： 金属材料与塑料在很多方面有着极为对立的矛盾，将金属材料应用在塑料制品 中，可赋予塑料制品特殊性能，本文对此进行了介绍。

　　关键词： 金属 填料 塑料 应用

　　1 前 言

　　近年来塑料的填充改性得到了飞速发展，无机填料在塑料制品中得到广泛应用。以 金属粉末作为填料应用在塑料制品中，可赋予塑料制品许多特殊性能，例如，导热性、 导电性、热容性，对磁场的感应和防辐射等。采用金属粉末为填料的复合树脂材料可作 为金属修补材料、黏合剂、磁带、防腐蚀涂层等。在电子工业、军事工业等方面有着特 殊的用途。

　　2 金属填料的种类

　　目前，塑料的金属填料主要有钢、铁、铜、铜合金、铝、锌、银、镍、铅粉等。其 制备方法和产品分类简述如下。

　　2.1 铁

　　主要是海绵铁，是粉末法制备金属零部件 常见的金属。其他通用的复合物包括电 解铁、硅铁、硫化铁、铁-碳、铁-铜-铁、镍钢、不锈钢和镍-钼-钢等一些特别的 铁复合物。电解粉和从羧基铁热分解制取的铁粉使用于像磁带、油墨、医药用品工业。 直接还原铁粉有广泛的应用. 轧屑是制备铁粉的原料氧化铁的重要来源。此外还有的方 法是把熔铁炉中熔融状的高碳钢粉化，然后用高压水喷嘴使熔融状的低碳钢进行脱碳 粉化。

　　2.2 铜

　　铜及其合金可制成粉末使用。有多种制备方法，如熔融状铜的空气喷雾，铜溶液的 电解法和用氢还原铜溶液等。还有一种方法需要高温和高压。可用类似方法生产镍粉和 钴粉。为了防止大气中的氧对铜粉末的影响，以采用铜合金制备，如黄铜、青铜等加工 成合金粉末。

　　2.3 铝

　　铝及铝合金可在一个锤式碎矿机中粉碎，并在球磨机中使粒径减小到所需要尺 寸。熔融的合金也可以被高速空气流喷雾成很小的球形颗粒，然后把这些颗粒在球 磨机中进一步研磨到所需的细度，再用空气浮选法将它们分级。还有用平辊轧法制 成鳞片状定向薄片层粉末铝粉、青铜粉、铜粉，当加入制品表面覆盖层时起到电镀 金属的效果。

　　2.4 铅和锌

　　对铅和锌这种熔点低的金属，可以用雾化法生产出细小的微粒。铅具有防辐射的特 殊性质，锌在外部涂层中，是当作电解元素应用的。

　　2.5 银和镍

　　银和镍是较贵重金属，在塑料中填充后，可明显提高其塑料制品的导电性和耐热 性。将银加工成纳米级状材料，用于塑料制品中，可有抑制细菌繁殖的功效。如抗菌塑 料，在冰箱、洗衣机、厨具、鞋类等方面已得到应用。

　　3 金属填料的特殊性能

　　3.1 导热性

　　由于金属导热性高，电阻低，所以可用以改善塑料的导热性和导电性。通过金属填 料，如铜和铝主要用于提高导热性，金和银由于其价格昂贵只在个别的电器制品上使 用。金属填料颗粒的大小、形状、分布和浓度都是影响导热性的重要因素。故有时使用 球形微粒，有时使用纤维状或丝网填料，有时采用长径比为50：1的金属填料来改善制 品的导热性。

　　3.2 热容性

　　复合材料的热容性可以看作是依赖于比热、导热性和金属填料的体积含量的性能 指标。一般说来，有机物基体导热性低，比热约为0.3J/(kg·K)。因此，热容量的 大幅度增加是由于与大量固体金属毗连，或者由于应用金属填充树脂体系的浇注复 合缘故。这如同起到一个散热器的作用。起到吸热器作用的非金属填料是二氧化硅、 氧化铝和氧化铍。在设计时往往考虑双层涂布法。即 层是树脂，用于覆盖，并 使电子元件得到绝缘。第二层是金属填料高度填充的复合体，它起增加热容量和散 热器的作用。

　　3.3 玻璃化转变温度

　　在树脂基体中加入金属粉末，并不能提高树脂的玻璃化温度。

　　3.4 热膨胀系数

　　当金属填料充填量小时，影响热膨胀系数的主要因素是树脂基体，然而当金属填料 的体积含量相当高时，金属填料对制品的热膨胀系数将具有显著影响。

　　3.5 电性能

　　金属填料虽然降低了塑料制品的绝缘性能，但对绝缘性要求不高时，它的加入可获 得另一些有益的电效应。在这种情况下，金属颗粒将改进塑料制品的导热性，降低操作 温度和局部过热点，这将延长其使用寿命。下面列举一些具体的电性能。

　　(1) 介电强度

　　当金属填料用量增加时，介电强度明显降低。

　　(2) 电阻

　　金属填料的填充量提高时，电阻降低，在填充量相等时，长径比大的颗粒使电阻的 降低值大于长径比小的。

　　(3) 介电常数

　　在电介质中加入金属粉末，则使介电常数增加。但是电阻的减少已足够抵消增加介 电常数所获得的好处。在电介质中，加入金属填料并控制其分布，提供了制造具有不同 介电常数的复合材料的方法。

　　(4) 介电损耗因子

　　由于加入金属填料，补偿了电介质的低的损耗因子，所以在各种频率下的介电损耗 因子将会增大。

　　(5) 磁性混合料

　　磁带、磁盘、磁卡等 工业的发展，需要采用可磁化的粒子与有机材料复合在一 起的方法，其产品可使用在通信工业上。镍、钴和铁合金细粉加入到有机树脂基体中 时，具有很容易磁化的性能，这一点成为很多工业应用的基础。电子脉冲的高速度记录 就是一例，从人造地球通信卫星到电子计算机的磁盘、磁带储存是它们应用的一个标 志。处于各种物理状态下的磁性粒子都能促进上述的应用。

　　在制造较大的磁性元件时，因其硬度较高，所以进行机械加工和拋光。而利用磁性 颗粒分布在液态树脂如环氧树脂中，接着加入一种固化剂，形成一种容易浇铸的复合材 料，就能很方便地制成各种形状的磁性元件。

　　(6) 导电性

　　有关金属颗粒增加树脂基体的导电性的文献是不胜枚举的。已有许多工业上使用的 导电黏合剂和焊料供电子、电气工业使用。把优良的导电金属填料 (银、铜、铝、金) 加入到树脂基体中去的主要方法有：

　　①采用行星齿轮混合法，把高浓度、磨得很细的金属填料粉末加入液体树脂基体中 去，同时用三辊磨研磨。

　　②同样的方法导入表面涂镀金属的球形微粒。

　　③把镍、铝、铜微粒(5%～10%) 填充于像聚氯乙烯这样的热塑性塑料。熔融和 高压导致了贵金属填料 小的填充量，且形成金属的网状结构。为了增加导电性，西德 和日本已研究出金属填料的模塑复合物。

　　4 金属填料在塑料加工业中的应用

　　金属填充于有机高聚物的应用是多种多样的，下面简要介绍几种。

　　4.1 降低摩擦力

　　非金属轴承具有操作平稳，可减轻冲击应力及可以在尼龙轴承和层压酚醛轴颈上用 水进行润滑的优点而受到重视。近来由于化学惰性和摩擦因数低，聚四氟乙烯已用来制 作轴承表面。现在在复合材料中加入铅、锌、二硫化钼等金属填料则可以大大降低摩擦 力。据测定加入金属填料可以使聚四氟乙烯轴承的损耗率降到原来的1/10。现在粉末 金属填料还用在刹车装置和离合器上，铜粉用于制作含石棉的离合器衬片就是一个具体 的例子。

　　4.2 降低透湿性

　　在有机防护涂料中加入层状或悬浮状铝粉，可以提高涂料薄层抵抗湿气浸透的能 力。填料加入量在10%以下，却显著地提高抗湿性。

　　4.3 导电黏合剂

　　铜粉和银粉大量使用于导电性工业黏合剂中，这些黏合剂价格并不贵。它们可应用 于电气元件和不能采用铜焊和银焊的装置。这时采用室温固化和银粉来填充环氧树脂胶 黏剂较好。此时粘接强度、体积电阻以及银粉的用量之间需要细心的平衡。

　　对于小型电气元件，在使用过程和潮湿的条件下，除要有优良稳定的性能外，具有 优良的剪切强度较为重要，并应在使用填料前，获得抗老化实验数据非常重要。

　　4.4 固体火箭燃料

　　细碎的铝粉可应用在由树脂基体和氧化剂组成的固体火箭燃料系统，以增强燃料的 推进力和火箭特殊的脉冲力。由于镁粉在烟花爆竹中应用的历史，可以想象用很细的金 属粉末去控制燃料的性能。

　　4.5 防污染涂料

　　用铜或铜的氧化物细粉加入有机基体中做成防污染涂料涂覆于远洋货轮的船底。已 经证实，这些防污染涂料可以有效地减缓船艇底部的海水浸蚀。特别在海水和被污染的 水中，船舰底部累积的污物已多至使船舰速度显著降低的程度。铜离子所以能抑制污物 的增长，实际上是通过不断暴露新的铜层和海水盐发生化学变化来完成的，故需要不断 补充防污涂料。

　　4.6 防腐蚀油漆

　　防腐蚀油漆 的成果——镀锌钢在工业上应用中的抗腐蚀效能，已经导致锌粉在 表面涂料中的应用。用锌做保护组分，锌和钢结合在一起使用时，首先被腐蚀的是锌， 从而延长钢构件的使用寿命。在防腐蚀油漆二组分或三组分体系中，锌是作为独立组分 加入的。例如，在环氧树脂和聚酰胺中，可加入大量的锌粉，以获得 大的抗腐蚀性。

　　4.7 保养和修补材料

　　粉末金属、树脂基体材料可作为维护和修补材料。例如 “钢填充涂胶”，它和铝填 充、青铜填充的涂料用在维护、修补的品种已达上千种。促进了对诸如 “冷浇注钢” 的重视，已广泛采用环氧树脂、金属粉末新材料。用的 多的是钢和铝的粉末。已应用 于下列场合：

　　①用钢填充的涂胶，在焊接的储槽和船体上用于铆钉头处进行涂抹和勾缝。

　　②用青铜粉填充的修补材料修补螺旋桨受腐蚀的表面。

　　③铝填充的复合料，用于修复铝合金制造的设备并增加粘接强度。同时发现铝填充 的黏合剂很适于粘接纤维素材料制造的设备。

　　④浇铸铝填充的热固性复合物，用于制造模具和靠模。

　　⑤用铝 (灰色) 填充的环氧树脂胶黏材料或铁 (墨色) 填充的环氧树脂胶黏剂， 可以把金属元件固定在普通混凝土中。

　　⑥用金属填充的环氧树脂胶黏材料，可以修补上百种零部件和法兰盘、阀门、转动 轴、散热片等。

　　⑦可用于铸件的阳模、复模、模板、铸模等的修补。

　　⑧现在已经可以用金属填充的塑料复合材料去制造某些工具。例如，金属焊接夹具 和装配工具，以及耐高温工具。

　　⑨用金属填充有机基体制成防辐射的弹性料，主要用于：

　　a. 车身焊接 一些主要的汽车生产厂家很重视用金属填充的塑料去填补车身的接 缝和裂痕。还包括汽车的修补和保养。

　　b. 电子工业 在电子工业中，使用填充树脂系统的金属主要是铜、银、钯、金， 用于制造导电的焊料、半导体元件、特殊蓄电池、电容器、散热片、印刷电路底板等。

　　c. 防辐射 在核时代所有国家的辐射控制和防护的意义日益增大。某些金属对β 射线、γ射线和中子射线的防护起到重要作用。使用这些金属粉末填充塑料基体中制成 的各种防护材料的应用日益增长。

　　随着金属粉末填料应用的日益广泛，金属填充树脂复合材料的应用前景极为广阔， 具有极大的发展趋势。

　　5 金属填料对塑料性能的影响

　　把研磨得很细的金属粉末分散掺入有机树脂基体中，发现了许多工业上有价值的应 用。在选择使用金属填料时一定弄清金属填料对塑料性能的影响。例如，有的人可能会 认为加入钢粉这类金属填料，可以改善脆弱性能较大的有机聚合物的硬度和强度。实际 并非如此，相反拉伸强度还可能会进一步下降。但是从密度、外观和对磁场灵敏度等性 能方面考虑，加入钢粉这种金属填料是十分有用的。

　　金属填料的加入对塑料性能有着许多意想不到的影响，其主要影响参见表1。

　　表1 金属填料对塑料性能的影响

　　上表列出的物理性能的降低，一部分原因是在混合操作时带进了空气和水分，这些 因素特殊影响拉伸强度和弯曲强度。另一部分原因是金属微粒的堆砌形式。此外金属微 粒的几何形状，如长径比高的晶须、纤维对复合材料性能的影响大于金属种类的影响。

　　金属填料与有机树脂为基体的复合，在金属与塑料的界面上，还可能形成金属-有 机络合物，它可起到促进剂的作用，有利于固化的进行。在另一方面，例如，像卤化 烯烃配方中含有微量的铁和锌时会促进降解作用。

　　金属填料加入的体积含量对塑料材料的电、热和物理性能都有显著的影响。只要树 脂基体能包裹着金属填料的微粒，就可以看到上表所列出对性能的影响。要指出的是当 填料用量增大致使金属填料之间互相接触程度时，复合材料的性能有时会有较突出的转 变。测量银粉充填的环氧树脂的导电性时可以明显地看到这一点。当银的用量达到某一 数值时，电阻率会突然大幅度下降。

　　由于颗粒大小与形状对填有金属粒子的塑料复合材料的性能有较大的影响，因而可 以从这些方面进行选择。例如，扁平状、平板状的铝和铜合金的微粒适合于加入到涂料 中去，因为它可以使涂料有光亮的涂层。纤维状、晶须状的铁合金微粒能提高树脂复合 材料的冲击强度。当然各种几何形状的微粒的装备必须由相关技术手段来获得。此外堆 砌问题已提到要加以重视的地步。

　　6 结 束 语

　　金属填料与有机聚合物属两类性能相差甚远的材料，采用先进的生产工艺和特殊的 加工方法 (金属填料的粉末加工)，使其混合在一起，制造的产品具有特殊的性能，又 能避其所短，扬其所长，扩大合成树脂的应用领域。金属填料可提高塑料制品导热性、 摩擦因数并具有良好的电性能、防腐蚀性，减小透湿性，可广泛用于电子工业、军工、 汽车工业、机械制造等行业，发展前景广阔，具有明显的经济效益和社会效益。

　　金属填料在塑料工业中的应用推广，由于材料的特异性，还有很多问题尚待进一步 探讨。

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