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1、高光涛青岛科技大学高分子学院青岛市郑州路53号,266042E-mail:Phone:13156290102,现代科学技术的三大支柱能源、材料、信息，其中材料是基础。材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平，关系着国家的综合国力与安全。世界各国把材料放在重要地位来发展。我国在1978年的科学大会上将材料科学技术列为8大科技领域之一，此后各个五年计划，一直作重点发展的领域,概述,材料分类按组成和结合健性质分为金属材料和非金属材料（有机非金属、无机非金属）更详细一点：无机材料：水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等金属材料：钢、铁、铝高分子材料：塑料、橡胶、纤维复合材料：金属基、陶瓷（无机材料）
2、基、聚合物基,高分子材料分类,按照CED分为：橡胶CED420MJ/m3,高聚物的力学性能,无使用价值的材料,聚合物补强原因,橡胶,聚合物补强原因,塑料趋势：通用塑料工程化、工程塑料高性能化、高性能塑料实用化。,聚合物补强原因,塑料根据产量，塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料通用塑料：指一般用途的塑料，成本低、产量大、用途广泛、性能变化大、制品多样；机械性能和耐热性不高。如PE、PP、PVC、PS等，其产量占全部塑料产量的四分之三以上。工程塑料：是指机械强度高，刚性较大，适于作工程机构件和化工设备等工业用途的塑料，与通用塑料无严格的区分。但强度、刚性、硬度等均比通用塑料高、耐高、低温性能好；
3、产量相对小，成本较高。要包括PA、PC、聚酯、POM、PPO等。特种工程塑料：相对于通用工程塑料而言，其耐热等级更高（能在100200以上温度下工作）或具有特殊性能和特殊用途的塑料。其产量更少、价格更高。主要包括聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺等。,玻璃钢（也称玻璃纤维增强塑料，国际公认的缩写符号为GFRP或FRP）：以玻璃纤维及其制品玻璃布、玻璃带、等为增强材料，以树脂为粘结剂，经一定的成型工艺制作而成的一种功能型的新型复合材料。是一种品种繁多，性能各别，用途广泛的复合材料。常用的玻璃钢有：环氧玻璃钢、聚酯玻璃钢、酚醛玻璃钢、呋喃玻璃钢等。玻璃钢在建筑上主要用于制作透明波形板、半透明中空夹层板、
4、整体采光罩、各种薄板、复合板、门窗等。还可制作给排水工程材料（如管道、便池、浴盆等）和土木工程材料（如混凝土模板、临时挡土板、各种道路用材）等。,聚合物补强原因,纤维包括天然纤维和合成纤维合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。合成纤维的品种很多，最重要的品种是聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），它们占世界合成纤维总产量的90%以上。此外还有聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。,填料又称填充剂，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。在高分子化工中，填料是用量最大的添加剂之一，几乎所有塑料（包括热塑性和
5、热固性塑料）、橡胶和涂料都使用大量填料。,填料概述,使用填料的一个重要目的是增加容量，降低成本，同时填料往往还显示出其他一些改性效用，如改善制品的加工性能和物理力学性能等。,在制造塑料时加入木粉、陶土或碳酸钙等，不仅能改善制品的力学性能，增加硬度，而且还可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的导电、通磁和耐热性；橡胶中加入炭黑或二氧化硅（白炭黑）可显著改善制品的物性，大幅度提高橡胶的力学性能，使非自补强橡胶具有使用价值；纺丝液中加入钛白粉（二氧化钛）可以遮光和染色；在涂料中加入白色或带色填料可改善涂料的光学、物理和化学性能。,1.填料分类：,（1）根据填充剂的主要功能可将其分为增量性
6、填充剂增强性填充剂阻燃性填充剂导电性填充剂着色性填充剂耐热性填充剂耐候性填充剂抗粘连性填充剂,功能性填充剂的分类,1.填料分类：,(2)按补强效果分填充剂和补强剂：填充剂：传统的陶土、碳酸钙、滑石粉等，工业废料煤灰，有机的木粉、果壳粉，功能性填料如导电炭黑、磁粉、金属粉等，阻燃的氢氧化铝、氢氧化镁等补强剂：传统的炭黑、白炭黑、纤维、有机树脂；纳米材料（纳米碳酸钙、蒙脱土等）,1.填料分类：,(3)按来源分为无机填料和有机填料无机类填料无机类填料主要以天然矿物为原料经过开采、加工制成的颗粒状填料，少数填料是经过处理制成的。a.氧化硅及硅酸盐。b.碳酸盐及碳化物。c.硫酸盐及硫化物。d.钛酸盐。e
7、.氧化物及氢氧化物。f.金属类。有机类填料有机类填料是由天然的动植物及人工合成的有机材料（如再生纤维素、合成树脂等）制成的。,1.填料分类,(4)按形状分为粒状、纤维状、其他（片状填料）粒状：大多数无机填料纤维状：石棉、短纤维、碳纤维、玻璃纤维、晶须（是碳化硅、氮化硼、氧化铝、石墨或铍的金属氧化物制成的微小纤维状单晶体）其他：如片状填料（是在两个方向上长度比第三个方向长得多的粒子，具有鳞片形状）,1.填料分类,(5)按组分分为单组分和多组分填料单组分即由一种原料物质组成，多组分填料也叫复合填料，是利用不同填料的特性，通过特殊处理方法将两种或两种以上的填料组合、改性后制成，如碳酸钙和滑石粉的组合
8、、CG混合纤维(炭纤维和玻璃纤维)等。,2填料的表征,材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元颗粒，进行详细描述。其中颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。,直径D,直径D、高度H,？,颗粒的大小,人为规定了一些所谓尺寸的表征方法,三轴径定向径当量径,颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径,当量径,等效圆球体积直径,等体积球当量径与颗粒同体积球的直径,等表面积球当量径与颗粒等表面积球的直径,比表面积球当量径与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表
9、面的球的直径,投影圆当量径与颗粒投影面积相等的圆的直径,等周长圆当量径与颗粒投影圆形周长相等的圆的直径,以上各种粒径是纯粹的几何表征量，描述了颗粒在三维空间中的线性尺度。在实际粉末颗粒测量中，还有依据物理测量原理，例如运动阻力，介质中的运动速度等获得的颗粒粒径，这时的粒径已经失去了通常的几何学大小的概念，而转化为材料物理性能的描述。因此，除球体以外的任何形状的颗粒并没有一个绝对的粒径值，描述它的大小必须要同时说明依据的规则和测量的方法。,等效体积直径,等效表面积直径,等效重量直径,最短直径,最长直径,等效沉降速率直径,筛分直径,粉体平均粒径计算公式,粉体的平均粒径,粒度分布,以显微镜观察测量粉
10、体的Feret径（测量总数为1000个）,频度%,粒度,频度%,粒度,常见粒度分析方法,粒度测定方法的选定主要依据以下一些方面：1.颗粒物质的粒度范围；2.方法本身的精度；3.用于常规检验还是进行课题研究；用于常规检验应要求方法快速、可靠、设备经济、操作方便和对生产过程有一定的指导意义4.取样问题。如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度，样品是否有代表性等；5.要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度；6.颗粒物质本身的性质以及颗粒物质的应用场合。,粒度测定方法的选定,颗粒的形状对粉体的物理性能、化学性能、输运性能和工艺性能有很大的影响。例如，球形颗粒粉体的流动性、填形性好，粉末结合后材料的均匀
11、性高。涂料中所用的粉末则希望是片状颗粒，这样粉末的覆盖性就会较其他形状的好。,颗粒的形状,科学地描述颗粒的形状对粉体的应用会有很大的帮助。同颗粒大小相比，描述颗粒形状更加困难些。为方便和归一化起见，人们规定了某种方法，使形状的描述量化，并且是无量纲的量。这些形状表征量可统称为形状因子，主要有以下几种：,颗粒的形状,与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比,球形度,可以看出：1.；2.颗粒为球形时，达最大值。,一些规则形状体的球形度：,一个任意形状的颗粒，测得该颗粒的长、宽、高为l、b、h，则：,扁平度,延伸度,扁平度m与延伸度n,若以Q表示颗粒的几何特征，如面积、体积，则Q与颗粒粒径d的关系
12、可表示为：,式中，k即为形状系数。对于颗粒的面积和体积描述，k有两种主要形式，分别为：,形状系数,表面形状因子,(j表示征对于该种粒径的规定),与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离,与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离,体积形状因子,表面形状因子与体积形状因子的比值,比表面积形状系数,一些规则几何体的形状因子,3填料的性质,基本性质填料的几何形态特征粒径或比表面积表面形态与性质物理性质密度硬度颜色及光学特性电性能热性质耐介质性能化学性质化学成分热化学效应,绝大多数填料是粉状，其最小结构单元是一次结构或原生粒子。只有它才能真正反映粉体填料的固有特性。粉体填料的一次结构粒子可能是结晶固体或无定型固体。
13、即使化学成分相同，也可能因是否结晶及晶型不同而有差异。,如CaCO3：作为碳酸盐类填料的主要品种，是由Ca2+和CO32-静电结合而成的离子型晶体，有两种晶型：菱面体型（方解石）和斜方晶体（文石）。填料的几何形状、粒径大小分布、物理及化学性质都会影响填料以及被填充基体材料的性能，也关系到填充改性技术的优劣。,3.1填料的基本性质,填料的几何形态特征颗粒是填料的存在形式。大多数填料颗粒的形状并不十分规则，不同种填料的几何形状会有着明显的差别。,对于片状填料，往往采用径厚比的概念，即片状颗粒的平均直径与厚度之比；对于纤维状填料，往往采用长径比的概念，即纤维状颗粒的长度与平均直径之比。填料的形状，对
14、体系的流变性能加工性能、成品力学性能、电性能等有重要影响。例如:不同形状填料充填的塑料制品，其机械强度一般是纤维状片状柱状立方体圆球形。即长径比越大，机械强度越高。,粒径或比表面积对相同体积填料的颗粒来说，其比表面积不仅与颗粒的几何形状相关(球形表面积最小)，也与其表面粗糙程度有关。比表面积的大小对填料与基体之间的亲合性、填料表面活化处理的难易与成本都有直接关系。,一般无机非金属矿物填料的颗粒粒径越小，比表面积越大,且又能分散均匀，则填充材料的力学性能越好。但颗粒粒径越小，要实现其均匀分散就越困难，需要更多的助剂和更好的加工设备以及更高的加工费用。因此要根据使用需要确定适当的填料粒径。,3填料
15、的性质-表面形态与性质,表面形态与性质十分重要，因为它决定了填充聚合物中两相间的界面，而界面决定了填充体系的性能。填料颗粒表面自由能的大小关系到填料在基体中分散的难易，当比表面积一定时，表面自由能越大，颗粒之间越容易凝聚，越不易分散。在填料表面处理时，降低其表面自由能是主要目标之一。,（1）表面基团随化学组成、制备方法不同而异。但几乎所有无机填料表面均含有羟基且容易吸收水分。填料表面基团的反应性、酸碱性、基团浓度对其补强性、分散性以及填充体系的黏度都有重要影响。,（2）吸附性在一定条件下，一种物质的小分子、原子或离子能自动地附着在某些固体表面上的现象或某物质在界面层中浓度自动发生变化的现象。吸
16、附可发生在不同的界面上，如S-L，L-S，L-G，L-L等按吸附性质的不同分为物理吸附和化学吸附。前者吸附快，多层吸附，吸收热低，容易解吸附；后者吸附慢，单层吸附，吸收热大，不易解吸附填料一般属于高能表面，容易吸水。对有机物（低表面能物质）也有吸附。,3.2填料的物理性质,密度填料的密度与它所来源的矿物一致，而且当填料颗粒均匀分散到基体中时，给填充材料的密度带来影响的正是它的真实密度。由于填料的颗粒在堆砌时相互间有空隙，不同形状的颗粒粒径大小及分布不同，在质量相同时，堆砌的体积不同，有时差别还会很大，因此它们的表观密度是不一样的。,例如我们把矿物粉碎加工而成的碳酸钙称为“重钙”，把从石灰石经化学反应制成的碳酸钙称为“轻钙”。实际上它们的
