第九讲填充改性

第四章填充改性及纤维增强复合材料第一节填充改性二、聚合物填充改性效果一、填充聚合物的结构三、填充塑料加工中的共性问题填充改性：向聚合物中加入适量的填充材料，以使制品的某些性能得到改善，或降低原材料成本的改性技术。填充改性聚合物的性能和填充改性的效果，主要取决于作为基体的树脂的性能，填充材料的种类、形态、在改性聚合物中的浓度及分散状态，填充材料与基体树脂的界面结构、复合结构等因素。一、填充聚合物的结构I填充聚合物组成：树脂、填充材料、助剂II聚合物基体中填料的分散状态III填料与树脂基体的表面处理I填充聚合物组成：树脂、填充材料、助剂1、树脂的选用要求具有能满足使用要求的性能（具有良好的综合性能）对填充材料具有较强粘合性能（部分承载和传递载荷的作用）具有良好的工艺性（合适的分子量及分布）现在已工业化生产和应用的热塑性树脂和热固性树脂都可以进行填充改性2、填充材料填料也称为填充剂，是高分子材料中的重要固体添加剂之一，将其添加入聚合物中可增加体积、降低成本，同时还能改善聚合物某些方面性能如强度、刚度、热稳定性等。尤其是一些功能性填料还可赋予高分子材料特殊的电、磁、阻燃、耐磨、耐辐射等性能，拓宽其应用领域，填料已被认为是一种功能性添加剂。填料的性质、粒径、添加量和表面处理等将影响到改性材料的性能和改性的综合效果具有一定几何形状的固态物质，无机物或有机物通常不与所填充的基体树脂发生化学反应在填充塑料中的质量分数应不低于5%有别于添加剂（颜料、热稳定剂、阻燃剂、润滑剂、增塑剂等）1）基本特征2）主要作用：降低成本，增大容量。塑料材料或制品的总成本中，原材料的费用占70%以上，因此在不影响或有利于塑料材料或制品的具体使用性能前提下，尽可能寻求廉价的原辅材料，降低原材料费用，会给企业带来更大的经济效益。例如，塑料打包带，如果使用纯聚丙烯，不仅功能大大过剩，而且相互咬合的摩擦力不够。采用碳酸钙充填改性，不仅可使聚丙烯打包带原材料费用下降近一半，而且可以达到使用强度的要求，因其表面纹路清晰，打包后相互之间不会滑动，更有利于使用。增强、补强作用矿物填料的活性表面可与若干大分子链相结合，与基体形成交联结构，矿物交联点可传递、分散应力起加固作用，而且会提高塑料产品的硬度、强度。增强改性往往是用玻纤、云母、硅灰石等具有大长径比或径厚比的填料。塑料中加入这些填料后对其力学性能和耐热性能有显著提高。改变塑料的化学性能如改变界面反应性、化学活性、耐水性、耐气候性、阻燃性、耐油性、渗透性等。使塑料制品获得本身所不具备的特殊性能。如导电性、导热性、压电性、隔声性以及对电磁波的吸收和对放射性的防护等。这些填料一般称为功能填料。调整塑料的流变性：如黏性、防止收缩、改进表面性能填料的分类填料的分类方法很多，一般可分为无机填料和有机填料两大类。常见的无机填料包括碳酸钙、滑石粉、云母、高岭土、二氧化硅、炭黑等，有机填料包括木粉、棉短绒、麦秆等。或根据填料的几何形状分为球形、无定形、片状、纤维状等。3）填料的种类及特性也可根据化学组成将填料分为氧化物、盐、单质和有机物四大类，化学类型实例氧化物氧化铝（金刚砂）Al(OH)3盐碳酸盐：碳酸钙、碳酸镁（方解石、大理石、白云石）硫酸盐：硫酸钡（重晶石）硅酸盐：硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁（硅灰石、高岭土、滑石）单质金属（Fe、Cu、Al等制成球、片、纤维、粉状物）碳有机物木粉、煤粉

主要特性是矿物颗粒形态、粒径、比表面积、硬度、密度、化学组成以及光、电、磁等性质，它们对塑料性能及工艺性质均有影响，是在填料使用和加工中必须考虑的重要因素。填料的性质填料的几何形态在填充塑料中起重要作用。填料颗粒形态对填料的补强和加工性能影响很大，不同颗粒形态填料充填的塑料制品，其机械强度由大到小一般为：纤维状、针状、片状、柱状、块状、立方状、圆球形。对于纤维状填料（如轻质碳酸钙、硅灰石等），通常采用纤维状填料颗粒的长度与平均直径之比（长径比）表示，一般长径比应大于10。对于片状填料（如滑石粉、石墨、云母、高岭土等），通常采用颗粒的平均直径与厚度之比（径厚比）表示，一般径厚比应大于4。填料的几何形态填料的几何形态不同种填料的几何形状差别显著对于片状填料，表征其几何形态的重要参数是径厚比，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。粒径是表征填料颗粒粗细程度的主要参数。一般来说填料的颗粒粒径越小，假如它能分散均匀，则填充材料的力学性能越好，但同时颗粒的粒径越小，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，而且颗粒越细所需要的加工费用越高，因此要根据使用需要选择适当粒径的填料。填料的表面性质包括比表面积、表面能、表面形态、晶体结构、表面官能团等。这些性质对填料活性、分散及其与有机树脂结合及表面改性等有着很大影响。填料的表面形态与性质填料的表面形态与性质表面粗糙程度

填料颗粒表面粗糙程度不同，即同样体积的颗粒，其表面积不仅与颗粒的几何形状有关(球形表面积最小)，也与其表面的粗糙程度有关。比表面积

比表面积即单位质量填料的表面积，它的大小对填料与树脂之间的亲合性、填料表面活化处理的难易与成本都有直接关系。是填料表面物性中最重要的因素之一，通常比表面积大小可通过氮气等温吸附方法进行测定。表面自由能

填料颗粒表面自由能大小关系到填料在基体树脂中分散的难易，当比表面积一定时，表面自由能越大，颗粒相互之间越容易凝聚，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。

表面官能团如黏土矿物硅氧四面体及铝氧八面体表面，它们对活性、与树脂结合强度及表面改性的难易有重要影响。填料的物理化学性质1.密度2.吸油值3.硬度4.颜色及光学特性5.热性能6.电性能7.磁性能8.阻燃性能1）真实密度：填料来源的矿物的密度；当填充颗粒均匀地分散到基体树脂中时，影响填充聚合物密度的正是其真实密度。2）表观密度：由于填充材料形状、大小及分布的差异，相同质量的填料堆砌体积不同，呈现出不同的密度，称为表观密度。如重质碳酸钙与轻质碳酸钙的真实密度是相似的，并无轻重之分，但表观密度却相差很大。3）硬度（莫式硬度:材料之间彼此刻痕能力的相对比较）物质表面抵抗某些外来机械作用，特别是刻画作用的能力硬度高的填料可以提高塑料制品的耐磨性，但对塑料加工设备的磨损有重要影响。人们不希望使用塑料带来的效益被加工设备的磨损抵消。4）吸油值指向100克粉料中缓缓加入增塑剂，边加边拌和，至粉末能以松散的小粒粘成一大团时，所消耗的增塑剂的量，以克计。在塑料加工时很多场合是填料与增塑剂并用。如果增塑剂为填料所所吸附，会大大降低对树脂的增塑效果。如重质碳酸钙其吸油值约为30～40gDOP/100g，轻质碳酸钙的吸油值是重钙的4～5倍，使用重钙代替轻钙作为人造革的填料时，可以减少增塑剂的用量。5）颜色及光学性能白色，白度越高越好填料的折射率与塑料基体折射率差别影响填充塑料的透明性影响塑料的着色的色泽深浅及鲜艳程度考虑填料与紫外线、红外线的作用塑料薄膜充填材料，使薄膜的透光率降低，同时可见光在穿过薄膜时遇到填料会发生反射与折射，形成散射光，对用于农业的棚膜有利，可使棚内各处受光均匀。某些填料对红外光有阻隔作用，在农用大棚膜中使用云母、高岭土、滑石粉等填料，可以在夜晚阻止棚内热能以红外光形式散到棚外，从而提高农用大棚膜的保温效果。炭黑和石墨作填料，可以吸收紫外线光波，保护所填充的聚合物避免发生紫外线照射引发的降解。6）热学性能矿物填料的热导率比树脂高，比热容较树脂低，热稳定性要好。充填填料后不仅可使塑料制品热稳定性提高，而且可使塑料加工时导热变快，从而缩短了熔融和冷却时间，提高生产率，降低能耗。一般矿物填料热膨胀率仅为树脂的0.2～0.5倍，由于冷却收缩大小不同，易在填料与树脂结合面产生应力，发生裂纹、易老化，但同时也会提高塑料制品的刚性。有些无机填料与含卤有机阻燃剂具有很好的协同效应。氧化镁是传统的辅助阻燃剂，硼酸锌也有很好的协同阻燃效果。滑石粉、硅粉等含硅填料也都与含卤有机阻燃剂有良好的协同阻燃作用。氢氧化铝与氢氧化镁可以作为无机阻燃剂。氢氧化铝本身为不燃物，它具有隔绝空气延缓燃烧的作用，其释放出水吸收大量的热，起到灭火作用。氢氧化镁的功能与氢氧化铝相似，340℃时失水，起到灭火作用。7）阻燃性质8）电磁性能有的填料可以使填充体系的电绝缘性能提高，如6kV以上电缆护套料PVC中，充填10%左右的煅烧高岭土可以显著提高其电绝缘性。填充导电炭黑、金属粉末或纤维可使填充体系具有抗静电性。将具有磁性的粉末材料加入到树脂中，可以用来制作塑料磁铁或磁条等磁性塑料。化学组成填料的化学组成对塑料的主要影响有：影响耐腐蚀性：在耐酸塑料中，不能选用碳酸钙、硅灰石等填料，而耐碱塑料制品中则不能用石英等作为填料。4）常用填料品种及特性碳酸盐碳酸盐类型的填料是塑料填料中最重要的一类。它以碳酸钙为主，分子式为CaCO3。碳酸钙分为天然矿石磨碎而成的重质碳酸钙和用化学法生产的沉淀碳酸钙又称轻质碳酸钙。两种天然碳酸钙矿石来源于石灰岩。重质碳酸钙密度为2.6～2.94g／cm3，轻质碳酸钙密度为2.4～2.6g／cm3。(1)轻质碳酸钙：这是用化学方法制造的碳酸钙，学名叫沉降性碳酸钙。(2)重质碳酸钙：是指由石灰石经选矿、粉碎、分级、表面处理而成的碳酸钙。它不象轻质碳酸钙那样，经过化学反应制得。重质碳酸钙也叫三飞粉，是无味、无嗅的白色粉末，几乎不溶于水。(3)胶质碳酸钙：又称为轻质活性碳酸钙，是一种白色细腻、软质粉末，与轻质碳酸钙不同之处，是其粒子表面吸附一层脂肪酸皂，使碳酸钙具有胶体活化性能，比重小于轻质碳酸钙，为1.99～2.01。优点1)价格低廉，普通重质碳酸钙每吨100～300元，普通轻质碳酸钙数百元/吨。2)无毒、无刺激性、无味。3)色泽好、白，对其它颜色的干扰小，易着色。4)硬度低，对加工设备的磨损轻。5)化学稳定，属惰性填料，热分解温度为800℃以上。6)易干燥，水分易除去，无结晶水。用途1)增量，降低成本。2)提高制品的耐热性，例如在聚丙烯中添加40％的CaCO3，其热变形温度可提高20℃左右。3)改进塑料的散光性，起到遮光或消光的作用。4)改善塑料制品的电镀性能或印刷性能。5)减少制品尺寸收缩率，提高尺寸稳定性。硅酸盐以硅酸盐矿物为主要原料制成的塑料填充用填料有滑石粉、高岭土、云母粉、硅灰石粉等，而玻璃纤维是最具增强效果的填料。滑石粉滑石是一种含水的、具有层状结构的硅酸盐矿物，英文名Talc，化学式：Mg3(Si4O10)(OH)2。其化学组成：MgO为31.8％，SiO2为63.37％，H2O为4.7％，常含少量的Fe、Al等元素。滑石的密度为2.7～2.8g／cm3，吸油值20%～40%。硬度是矿物填料中最小的一种，莫氏硬度为1，有柔软滑腻感。其颜色有白、灰绿、奶白、淡红、浅蓝、浅灰等，有珍珠或脂肪光泽。在380～500℃时可失去缔合水，800℃以上时则失去结晶水。滑石在水中略呈碱性，pH值为9.0～9.5。滑石具有层状结构，相邻的两层靠微弱的范德华力结合。在外力作用时，相邻两层之间极易产生滑移或相互脱离。因此滑石颗粒结构基本形状是片状或鳞片状。

高岭土高岭土是粘土中的一种，是一种水合硅酸铝矿物质，英文名kaolin，其分子式可表达为A12O3·2SiO2·2H2O。一般高岭土中含有SiO240％～50％，A12O330％～40％，Fe2O31.2％～2.0％，烧失量为11％～12％，此外还含有微量Ti、Ca、Mg、K、Na等金属元素的氧化物。它的单晶是一种双层水合硅酸铝，一层是二氧化硅，一层是水合氧化铝，通过化学结合而成，具有六角形片状构型。在水中pH值略呈酸性，但其耐酸碱性在大多数情况下仍然很好。高岭土的密度为2.60～2.63g／cm3，莫氏硬度为1，吸油值为30%～50%，折射率为1.56。其他硅酸盐填料粘土云母硅灰石玻璃纤维石棉硫酸盐天然硫酸钡矿称为重晶石，通过化学方法制成的称之为沉淀硫酸钡。硫酸钡的分子式为BaSO4。重晶石属斜方晶系，其密度为4.25～4.5g／cm3，莫氏硬度为3.0～3.5，一般为白色或灰色，而沉淀硫酸钡的白度可达到90%以上。硫酸钡能吸收X射线和γ射线，可用于防护高能辐射的塑料材料。由于其密度高，适用于要求高密度的填充塑料材料，如音响材料、鱼网网坠等，此外由于硫酸钡粒子球形度高，填充硫酸钡的塑料的表面光泽要优于使用同等份数的其它无机矿物填料的填充塑料。氧化物——二氧化硅二氧化硅在地壳中分布最多，占地壳氧化物的60％左右，大部分形成硅酸盐矿物岩石，一部分是以石英、硅石、硅砂、无定形硅石堆积而成。将这些岩石粉碎、分级、精制或用化学反应合成的二氧化硅都可作为塑料填料。一般天然硅石价廉、粒径较大，而合成出来的二氧化硅价格较高、粒径小，是一种超微细粒子填料。合成出来的二氧化硅呈白色无定形微细粉状、质轻，其原始粒子在0.3微米以下，吸潮后聚合成细颗粒，有很高的绝缘性，不溶于水和酸，溶于苛性钠及氢氟酸。在高温下不分解，多孔，有吸水性，比表面积很大，具有类似碳黑的补强作用。所以也把这种合成出来的二氧化硅叫做白炭黑。二氧化硅密度为2.65g／cm3，莫氏硬度为7，在热塑性塑料中起到了增强、提高硬度、降低制品成型收缩率、改善制品尺寸稳定性，改善电性能；在橡胶工业中是一种主要的补强剂。单质炭黑与碳纤维金属粉末及纤维主要的有机填料木粉淀粉合成纤维工业废渣粉煤灰玻璃微珠白泥红泥其它晶须晶须是单丝形式的小单晶体，可用于制备具有优良物理力学性能的复合材料。用作晶须的材料可以是单质如C、Fe、Ni、Cu等，也可以是无机化合物如Al2O3、SiC、BC等。大多数晶须是由气相反应生产的。晶须既有硼纤维的高弹性模量(400～700GPa)和强度，又具有玻璃纤维的伸长率(3～4%)。缺点是价格昂贵，使应用受限。晶须对塑料的增强效果十分显著，通常如果晶须能被塑料熔体充分润湿并合理取向，塑料的抗拉强度可提高10～20倍。从价格和性能两方面考虑，晶须目前主要还是应用于航空航天、航海、军工等高技术领域。功能性填料填料在聚合物中的作用不仅限于改善基体树脂的力学性能，某些填料还能赋予聚合物一些特殊功能如阻燃性、抗静电性、导电性、导热性、耐磨润滑性及抗辐射性等。阻燃性填料绝大多数聚合物都是易燃物质，一旦燃烧起来将会给人的生命及社会财富带来巨大损失。近年来随着人民生活水平提高，对生命安全的关注日益增强，聚合物的阻燃化研究已经成为聚合物改性的一个重要领域。多数情况下加入碳酸钙、滑石、高岭土、云母等无机填料都会使填充聚合物复合材料较基体树脂的可燃性下降。还有一部分特殊无机填料具有独特的阻燃效果。目前聚合物阻燃改性使用的阻燃剂主要是有机阻燃剂，其中有相当数量的有机阻燃剂熔点高、热分解温度高、化学稳定性好、在聚合物成型加工过程中不发生相变，也不同其他添加剂或聚合物基体树脂发生任何化学反应，因此这类有机阻燃剂也可以被视为一种惰性有机填料，制备含有这类阻燃剂的聚合物的过程及方法同于其他方式的聚合物填充改性。主要的阻燃性填料品种（1）有机阻燃填料氯系阻燃剂溴系阻燃剂氮系阻燃剂溴系阻燃剂溴系阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一。据统计，1998年全球溴系阻燃剂的用量已超过200kt，约占阻燃剂总用量的约23％，有机阻燃剂总用量的约40％。阻燃剂作用机理含卤阻燃剂通过阻止发生在气相中的自由基链机理实现阻燃。阻燃剂首先分解为自由基，卤素自由基从基质RH夺取氢形成卤化氢。可燃性气体和氧气的反应：通过与高能自由基H·和OH·反应并以低能自由基X·进行取代，即阻止了自由基链反应机理。溴系阻燃剂的效率高，材料中所需阻燃剂用量较低，从而不致过多恶化基材的物理－机械性能及电气性能。由于C－Br键的键能较低，大部分溴系阻燃剂在200～300℃下分解，此温度范围与很多常用聚合物的分解温度重叠；而且，很多溴化合物可在相应于火灾早期材料温度下快速分解，所以火灾一发生，气相中的HBr浓度即比较高，这赋予溴系阻燃剂比大多数氯系阻燃剂更高的阻燃效率。溴化合物制造工艺成熟，溴的来源充足，生产成本较低，就性能价格比而言，溴系阻燃剂是其他阻燃剂难以抗衡的。溴系阻燃剂的严重缺点是降低被阻燃基材的抗紫外线稳定性，燃烧时生成较多的烟、腐蚀性气体和有毒气体。应用最广泛的多溴二苯醚及用其阻燃的高聚物的热裂解和燃烧产物中含有毒物多溴代二苯并二嗯烷及多溴代二苯并呋喃。主要品种其他惰性溴系阻燃剂还有六溴苯、乙撑双(四溴邻苯二甲酰亚胺)、1,2-双(二溴降冰片基二碳酰亚胺)乙烷、2-双(四溴邻苯二甲酰亚胺)乙烷、十四溴二苯氧基苯、五溴甲苯、1,2-双(五溴苯氧基)乙烷等。十溴二苯醚是用途最广泛的阻燃剂。氯系阻燃剂氯系阻燃剂与溴系阻燃剂的阻燃机理相同，但前者的阻燃效率逊于后者，不过C—Cl键的耐热性及耐光性则优于C—Br键。因此对暴露于光线中的高聚物，即使添加光稳定剂，有时也选用氯系阻燃剂。近20年来，一些国家氯系阻燃剂耗量的增长速度低于溴系，所以前者在阻燃剂耗量中所占的比重也低于后者。工业上生产的氯系阻燃剂品种比溴系少得多，主要是氯化石蜡、得克隆(DechloranePlus)(1,2,3,4,7,8,9,10,13,13,14,14-十二氯-1,4,4a,5,6,6a,7,10,10a,11,12,12a-十二氢、1,4,7,10-二甲桥二苯环辛烷)、海特(HET)酸(1,4,5,6,7,7-六氯双环[2.2.1]-5-庚烯-2,3-二羧酸)及其酸酐、六氯环戊二烯、四氯邻苯二甲酸酐等。其中氯化石蜡产量最大和用途最广，而得克隆则由于具有一些优异性能颇为人青睐。某些氯代物的毒性比相应的溴代物更高，且氯系阻燃剂燃烧时会放出四氯化碳。氮系阻燃剂氮系阻燃剂，主要是指三聚氰胺及其衍生物，无卤、低烟，对热和光稳定，阻燃效率较佳且价廉。以其阻燃的塑料加工较困难，在基材中分散性较差。三聚氰胺三聚氰胺(MA)不可燃，加热易升华，急剧加热则分解。阻燃与原因：（1）在250－450℃发生分解反应，吸收大量的热，并放出氨而形成多种缩聚物；（2）能够影响材料的熔化行为，并加速其炭化成焦，从而起到阻燃作用。三聚氰胺价廉，无腐蚀性，对皮肤和眼睛无刺激作用，也不是致变物，其缺点是高温分解时产生有毒的氰化物。三聚氰胺是一类广泛使用的阻燃剂，尤其适于作为膨胀型阻燃剂组分和用于阻燃聚氨酯和三嗪类树脂。三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）三聚氰胺氰尿酸盐由三聚氰胺和氰尿酸反应制得，简称MCA。它是一种润滑剂和阻燃剂，系白色结晶粉末，无臭，无味，300℃以下受热非常稳定，350℃左右开始升华，但不分解，其分解温度约为440～450℃。MCA含氮量高，极易吸潮，高温时脱水成炭，燃烧时放出氮气，冲淡了氧和高聚物分解产生的可燃度，而且气体的生成和热对流带走了一部分热量，因而具备阻燃功能。其它三聚氰胶膦酸盐三聚氰胺焦磷酸盐无机阻燃填料无机阻燃填料主要有氢氧化物、锑化合物、红磷、聚磷酸铵、硼化合物等。无机阻燃填料的阻燃效率一般低于有机阻燃剂，所以要达到同样的阻燃效果需要添加的无机阻燃剂量较多，对聚合物基体的力学性能尤其是抗冲击韧性降低幅度较大。1.氢氧化物氢氧化物阻燃填料主要有氢氧化铝和氢氧化镁。氢氧化铝（ATH）是无机阻燃填料中最重要的一种，就消耗量而言，在所有阻燃剂中稳居首位，由于氢氧化铝低毒，目前全球的耗量约为450kt，占阻燃剂总耗量的约45％，占无机阻燃剂耗量的70％。ATH具有抑烟、低腐蚀，且价格低廉的优点。ATH的阻燃机理是：①分解吸热，并从火焰中吸收辐射能。这种吸热有利于降温，促进脱氢反应和保护炭层；②分解放出的水不仅是一个冷却剂，还是一个稀释剂。水蒸气有如一床毯子，将火焰包围；③ATH脱水生成的氧化铝层，具有极高的表面积，故能吸收烟和可燃物，使材料燃烧时释出的CO2量降低。2.锑化合物锑系阻燃剂是最重要的无机阻燃剂之一，可大大提高卤系阻燃剂的效能。锑系阻燃剂的主要品种是三氧化二锑(ATO)、胶体五氧化二锑及锑酸钠。其中最重要和用量最大的是ATO，它是几乎所有卤系阻燃剂不可缺少的协效剂。3.红磷红磷因为仅含有阻燃元素磷，所以比其他磷系阻燃剂的阻燃效率高，即使在阻燃剂用量甚低时也是如此。在某些情况下(如对某些含氧高聚物)，红磷的阻燃效率甚至比溴系阻燃剂还胜一筹。与卤-锑阻燃体系相比，红磷的发烟量较小，毒性较低。缺点是易吸湿，与树脂相容性差，使被阻燃制品染色。导电性填料一般高分子材料的体积电阻率都非常高，约在1010～1020Ω·cm的范围，其表面一经摩擦就容易产生静电，从而产生静电积累。静电可使空气中的尘埃吸附于制品上，降低了其商品价值。在塑料进行印刷和热合等二次加工时，静电常会造成不良的加工结果。静电还能使油墨或染料的附着不均，造成印刷和涂装质量不佳。静电还会导致放电现象，而放电作用常会引起电击、着火、粉体爆炸等事故。聚合物用导电性填料主要包括炭黑、碳纤维和金属粉末；当加入量较少时导电性填料可以降低聚合物的表面电阻率，提高聚合物的抗静电性；加入量较多时则还可明显提高聚合物的体积电阻率，从而赋予聚合物一定的导电性。耐磨润滑型填料常见的润滑型填料包括无机填料如二硫化钼（MOS2）、石墨、铜粉以及聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等在加工过程中不发生相变也不发生化学反应的有机填料。耐磨润滑型填料往往应用于本身润滑性就较好的聚合物品种、从而能进一步发挥这些材料的特性，典型的例子是聚甲醛(POM)。抗辐射填料高分子材料在日光或强的荧光下，将吸收紫外光，引发自动氧化，导致聚合物降解，使制品的外观和物理机械性能恶化。这一过程称为光氧化或光老化。无机填料通常都能起到一定的光屏蔽作用，从而提高聚合物材料的耐侯性。但作为专门的光屏蔽剂，则主要有炭黑、氧化锌和钛白粉。3、助剂在填充改性聚合物中所使用的填料大部分是天然的或人工合成的无机填料。这些无机填料无论是盐、氧化物，还是金属粉体，都属于极性的、亲水性物质，当它们分散于极性极小的有机高分子树脂中时，因极性的差别，造成二者相容性不好，从而对填充塑料的加工性能和制品的使用性能带来不良影响。因此对无机填料表面进行适当处理，通过化学反应或物理方法使其表面极性接近所填充的高分子树脂，改善其相容性是十分必要的。表面处理剂及作用机理填料表面处理的作用机理基本上有两种类型：一是表面物理作用，包括表面涂覆（或称为包覆）和表面吸附；二是表面化学作用，包括表面取代、水解、聚合和接枝等。填料表面处理物理作用示意图填料表面处理化学作用示意图填料表面处理应遵循如下原则1、应选择填料表面处理后极性接近于聚合物极性的处理剂；2、填料表面含有反应性较大的官能团，则应选择能与这些官能团在处理或填充工艺过程中能发生化学反应的处理剂；3、填料表面如呈酸或(碱)性，则处理剂应选用碱性(或酸性)；如填料表面呈现氧化性(或还原性)，处理剂应选用还原性(或氧化性)，如填料表面具有阳离子(或阴离子)交换性，则处理剂应选用可与其阳离子(或阴离子)进行置换的类型；4、对处理剂而言，能与填料表面发生化学结合的比未发生化学结合的效果好；长链基的比同类型的短链基效果好；处理剂链基上含有与聚合物发生化学结合的反应基团的比不含反应基团的效果好；处理剂链基末端为支链的比同类型而末端为直链的效果好；此外应选用在聚合物加工工艺条件下不分解、不变色以及不从填料表面脱落的处理剂。填料表面处理剂分类表面活性剂偶联剂有机高分子无机物一、表面活性剂表面活性剂是指极少量即能显著改变物质表面或界面性质的物质。其分子结构特点是包含着两个组成部分，其一是一个较长的非极性烃基，称为疏水基；另一是一个较短的极性基，称为亲水基。表面活性剂按溶于水是否电离，分为离子型和非离子型两大类。而离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。按分子大小可分为小分子表面活性剂和高分子表面活性剂。表面活性剂在界面上的作用表面活性剂分子的两亲结构，使其有在物质表面或界面上定向排列的强烈倾向，因而表(界)面张力明显下降，这是表面活性剂表面活性最重要性质之一。在聚合物/无机填料体系中加入一定量的表面活性剂，可以降低聚合物与填料间的界面张力，明显改善聚合物/填料界面间的结合状况，有利于制备高性能的填充复合材料。表面活性剂使表(界)面张力下降可以从其效率与能力两个方面来看。一是降低溶剂表面张力至一定数值时所需的表面活性的浓度值作为表(界)面张力降低的效率的度量，这一浓度值越小，即其使表(界)面张力下降的效率越高；二是表面张力降低所能达到的最低表面张力数值，作为表面活性剂降低表(界)面张力的能力度量。二、偶联剂偶联剂也称表面处理剂，其分子结构特点是含有两类性质不同的化学基团，一是亲无机基团，另一是亲有机基团。其分子结构可用下式表示：(RO)x一M－AyRO代表易进行水解或交换反应的短链烷氧基。M代表中心原子，可以是硅、钛、铝、硼等。A代表与中心原子结合稳定的较长链亲有机基团，如酯酰基、长链烷氧基(RO-)、磷酸酯酰基等。偶联剂处理机理用偶联剂对填料表面处理时，其两类基团分别通过化学反应或物理化学作用，一端与填料表面结合，另一端与高分子树脂缠结或反应，藉此使表面性质悬殊的无机填料与高分子两相较好地相容。使用方法和注意事项：一般常用水、醇、酮或混合溶剂配成一定浓度（0.5-2.0%）溶液来处理填料。如粉状填料可直接浸泡或在高速搅拌和一定温度下直接加入或喷雾加入定量的硅烷偶链剂溶液；如纤维填料可将纤维牵引通过溶液，再在一定的温度下烘干。因为牵涉到水解成多羟基醇的过程，要注意以下几点：1）添加适量酸碱或缓冲剂调节一定的PH值，以控制水解速度和处理液稳定时间；2）控制会影响缩合、交联的杂质或添加适量催化剂，调节缩合或交联反应性3）控制表面处理时间和适宜的干燥温度，保证表面处理反应完全三、有机高分子处理剂各类表面活性剂和偶联剂基本上都是小分子物质，在处理填料上仍存在其不足之处，主要是填料填充量进一步提高或对制品性能要求更高时，就发现小分子物质处理填料表面无法解决制品性能劣化的难题，而用高分子作为处理剂在克服这一困难显示了其优越性。主要的高分子处理剂液态或低熔点的低聚物或高聚物，如无规聚丙烯、聚乙烯蜡、羧化聚乙烯蜡、氧化聚乙烯、聚α－甲基苯乙烯及各种聚醚等；液态或低熔点的线型缩合预聚物，如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂、聚酯。带有极性基接枝链(点)或嵌段链的高分子增容剂，如顺丁烯二酸酐(MA)接枝改性的种种高聚物，像PE-G-MA、EPDM-g-MA、EVA-g-MA、PP-g-MA、SBS-g-MA等；4）线性或梳型的高分子超分散剂，所谓高分子超分散剂是指一类相对分子量在1000-10000之间，分子结构中含有性能与功能完全不同的两个部分，一部分为锚固基团，可通过离子对、氢键、范德华力等作用以单点锚固或多点锚固形式紧密地结合在填料等无机颗粒表面上；另一部分为可与分散介质相容或溶剂化的聚合物链的特别设计合成的高分子助剂，主要用于处理油墨、涂料、陶瓷、纳米级材料等生产过程中处于有机溶剂或水体系中的无机颜料、填料等的分散。5）高熔体流动速率而低熔点的高聚物，如EVA、LDPE等高分子处理剂用量一般为填料质量的4-15%，处理工艺最好是结合制品生产工艺，如反应性挤出、密炼、研磨等进行。2、增塑剂

添加到聚合物中，能够增其塑性、改善成型加工性、赋予制品柔韧性的物质。增塑剂种类很多，可以按照不同方法分类。如按加入方式不同可以分为外增塑和内增塑。所谓内增塑，主要是通过共聚方法，破坏高分子结构的规整性，或降低结晶能力，或削弱高分子的相互作用，使Tg、Tm降低，实现增塑作用。外增塑，是向塑料中加入增塑剂。（酯类）3、稳定剂

对于PVC及CPE树脂，必须加入热稳定剂才能防止其在成型加工温度下发生降解；对于烯烃类、苯乙烯系列树脂，也需加入相应的抗氧剂。1）热稳定剂；2）光稳定剂（紫外线老化），添加于塑料中，能够抑制或减弱光降解作用，提高材料耐光性的物质3）抗氧剂，以少量添加于材料中，能够延缓或抑制氧化老化的物质。4、润滑剂赋予塑料润滑性，减少有害摩擦，并防止制品界面黏附为目的而使用的助剂。在实际使用中，由于具体的润滑目的不同，可有脱模剂、防粘连剂等。填充改性聚合物的性能除了与主要组分基体树脂的性质以及填料的性质、形态、尺寸、浓度等密切有关外，填料的分散状态，基体树脂的高分子聚集态结构，填料与基体树脂界面结构也有很大的影响。填料在树脂中的分散状态，与填料的形态、尺寸，填料与基体的亲和力，填充改性聚合物的制备技术、方法，结构设计等因素有关II聚合物基体中填料的分散状态无机粒子在聚合物中的分散状态（1）无机粒子在聚合物中形成第二聚集态结构；此时若无机粒子粒径足够小，粒子间界面结合良好，无机粒子如同刚性链条一样对聚合物起着增强作用，这种分散状态有很好的增强作用。如炭黑和白炭黑。一、分散状态（2）以分散状态存在，有的聚集成团，有的以个别分散形式存在；这种分散状态既不能增强也不能增韧；由于粉团中粒子间的相互作用很弱，将成为填充材料中最为薄弱的环节，实际上是向材料中引入了致命的缺陷，使材料的强度比纯树脂还低（3）均匀而个别地分散在基体中；这种情况下，无论粒子与基体树脂间有无良好的界面结合，都会产生一定的增强增韧效果。为了获得增韧增强的填充改性聚合物，非常希望无机粒子呈第三种分散状态。无机填料能否均匀分散，与多种因素有关。在加工条件固定的情况下，与填料比表面积、表面极性，树脂的表面极性、熔体粘度，以及填料与基体之间的相互作用有关。从填充改性聚合物预期的效果看，无机粒子尺寸越小越好。但尺寸越小，表面能越高，自身团聚越强，越难分散均匀。因此填充前需要进行表面处理。高速混合机对于较粗粉体（10微米以上）进行表面处理是可以的，但用于粒径小于10微米，尤其是纳米颗粒，难以达到预期的处理效果。因为将其放到混合机中，还没等到表面处理剂与粉体进行充分接触，这些粒子早已凝聚成粉团，这种凝聚体在后续的混炼及成型中靠机械力是打不开的，就呈现出第二种分散状态，成为填充改性塑料中最不愿意看到的白点。二、填料-聚合物界面的形成

首先是聚合物与填料的接触及浸润第二阶段是聚合物树脂的固化过程对于热塑性树脂，该固化过程为物理变化，即树脂由熔融态被冷却到熔点以下而凝固；对于热固性树脂，固化过程除物理变化外，同时还有依靠其本身官能团之间或借助固化剂而进行的化学变化。界面区的存在是导致填充聚合物具有特殊复合效应的重要原因之一.界面区对填充聚合物性能的贡献：①使基体聚合物与填料结合成为一个整体，传递应力，完整的粘接面才能均匀地传递应力②有阻止裂纹扩展和减缓应力集中的作用，即起到松弛作用③在界面区，填充聚合物若干性能产生不连续性，而导致填充聚合物可能出现某些特殊功能三、填料-聚合物界面的作用及其机理（1）化学键理论：界面粘接是通过化学键的建立而实现的例：当填料及树脂之间具有可反应的官能团、使用某些偶联剂的场合（2）表面浸润理论（接触角）：（或称物理吸附理论）所有粘结剂的首要要求是必须浸润填料物理吸附提供粘结强度四、填料－聚合物界面体系的表征

1.接触角法当θ<90°时，为可浸润，θ越小，则浸润效果越好。至θ=0°时，则完全浸润θ≥90°为浸润不良，当θ=180°则为完全不浸润润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式：2.界面张力法当σS>γSL，则cosθ>0，θ<90º，该液-固体系可以浸润当σS<γSL，则cosθ<0，θ>90º，该液-固体系不能浸润或浸润不良当σS-γSL=σL时；cosθ=1，θ=0º，该液-固体系完全浸润3.黏度法依据填充聚合物体系流变行为来表征填料与聚合物亲合性。加有填充剂的聚合物体系与相应的纯聚合物体系，其熔体的比黏度（在同一剪切应力或剪切速率下的黏度之比）在较高剪切应力范围达到一个稳定值。同一种填料，且同一个体积含量，而不同聚合物的填充体系，该稳定值大小不同。这是由于吸附在填料表面上的随填料粉粒运动的吸附层厚度有差异，吸附层的厚度越大，比黏度的稳定值也越高，而界面亲合性越好。4.显微镜观察法常用扫描电子显微镜（SEM）①填料在聚合物基体中的分散情况：填料体积含量、填料的处理条件、复合工艺条件均有影响②填料与聚合物基体界面的粘附情况：如果填料表面清晰，树脂附着少，则界面粘接不良；若界面处有空洞或填料（尤其纤维状填料）有被从树脂基体中拔出的现象，也都表征界面相互作用欠佳

III填料与树脂基体的表面处理

一、填料的表面处理方法1、干法根据填料表面处理过程中所使用的设备与工艺的不同，填料表面处理方法可分为干法、湿法、气相法和加工过程中处理法四种干法处理的原理是填料在干态下借高速混合作用和一定温度下使处理剂均匀地作用于填料粉体颗粒表面，形成一个极薄的表面处理层。2.湿法填料表面的湿法处理是指填料粉体在湿态，即主要是在水溶液中进行表面处理。填料表面湿法处理的原理是填料在处理剂的水溶液或水乳液中，通过填料表面吸咐作用或化学作用而使处理剂分子结合于填料表面，因此处理剂应是溶于水或可乳化分散于水中，既可用于物理作用的表面处理，也可用于化学作用的表面处理。常用的处理剂有脂肪酸盐、树脂酸盐等表面活性剂、水稳定性的鳌合型铝酸酯、钛酸酯及硅烷偶联剂和高分子聚电解质等。3.气相表面处理法将具有反应活性的处理剂首先气化，以蒸汽的形式与填料粉体的表面发生化学反应实现填料表面处理4.加工现场处理法：（1）捏合法捏合工艺中，同时加入填料和处理剂，在捏合过程中对填料进行表面处理（2）反应挤出处理法将填料表面处理剂和小量载体树脂（也可用基体树脂），按一定比例在双螺杆挤出机挤出造粒，制成填充母料（3）研磨处理法常用于涂料生产中对填料和无机颜料的表面处理二、树脂的表面处理技术目的：改变表面的化学组成，增加反应活性或增加可浸润性，清除表面杂质和脆弱边界层1、热处理（干燥作用，除表面吸附水）2、等离子体处理（仅涉及到表面，不影响内部性质，一方面，表面链裂解更易在界面流动和扩散，从而改善可黏结性；另一方面，处理后总有极性基团结合在树脂表面）3、表面接枝处理引入可与填料表面反应的官能团或极性基团二、聚合物填充改性效果

1聚合物填充改性的经济效果2填充聚合物的流变行为3填充聚合物的力学性能4填充聚合物的物理性能1填充改性的经济效果

填料的价格远远低于树脂，一般填充塑料的材料价格显著下降。填料的密度比基体的大，同质量填料的体积比同质量基体的小。在基体中，如果填料颗粒之间、填料与基体之间不存空隙，填料在基体中的密度等于填料本身的密度。填料在基体中的填充密度，决定所使用填料带来的经济利益。填充塑料原材料价格P的计算：P＝P1ω1＋P2ω2

式中：P1、P2-分别为基体树脂和填料的价格；ω1、ω2-分别为基体树脂和填料在填充塑料中占的质量分数。ω1＋ω2＝1，一般P2＜P1，故P＜P1。例如：填充聚丙烯原材料价格P的计算：聚烯烃填充母料的价格为聚丙烯树脂的1/3，即P2＝P1/3，聚烯烃填充母料用量为10％，填充聚丙烯的原材料价格P：例如：聚丙烯打包带中，聚烯烃填充母料的用量达50％，使用填充母料的聚丙烯打包带，原材料价格P：由此可见，填充塑料制品的原材料成本明显下降，经济效益显著提高。但是，这种成本的降低是以重量为计价单位。目前有塑料薄膜、扁丝、打包带、管材等制品是以重量为计价单位。如周转箱、工业配件、玩具、桶、盆等塑料制品，则是以个为计价单位，其成本的降低与以重量为计价单位的情况有所不同。填料密度比树脂密度大，填料体积则比树脂体积小。对注塑或模压成型的塑料制品，模具型腔的体积是固定的，所以在有填料的情况下,需要更多的物料填充模具型腔。即同质量的物料，填充塑料的体积比纯树脂的体积小，因此注塑出的制品个数将比纯树脂少，这就可能出现使用填料反而不合算的情况。例如，用纯高密度聚乙烯制做塑料水桶，设水桶用料体积为0.001m3，高密度聚乙烯的密度ρ1＝960kg/m3，1m3的高密度聚乙烯树脂为960kg，可以产生出1000个水桶。采用滑石粉填充高密度聚乙烯，滑石密度ρ2＝2750kg/m3，如果滑石粉的质量分数为ω2＝10％，同样960kg物料的体积V为：V=mω1/ρ1+mω2/ρ2式中：m=960kg；ω1、ω2-分别为高密度聚乙烯树脂和滑石粉的质量分数；ρ1、ρ2-分别为高密度聚乙烯树脂和滑石粉的密度。按上计算式计算填充塑料的体积为：填充10%的滑石粉后，填充塑料的体积降低至0.935m3。由于模具的型腔容积没有改变，水桶用料体积仍为0.001m3，故960kg填充高密度聚乙烯塑料只能生产935个水捅，比用纯高密度聚乙烯树脂时少出65个产品。在考虑是否使用滑石粉填充高密度聚乙烯生产水桶时，要衡量得失，即加10％的滑石粉节省下的原材料费，能否抵偿少出65个水桶带来的损失。通常的经验，填料填充的质量分数达到20％以上，才有利可图，但要看制品的性能是否能够达到质量要求。当然，在注塑或模塑制品中，使用填料不单纯是为了降低原材料成本，更关注的是提高某些方面的性能。例如，聚丙烯打包带使用大量填充母料时，填充制品在长度上与纯树脂制品无明显差别,但使用性能上显著改善。填充塑料在成型加工中，需经过熔融、受力变形、冷却定型后制成各种制品。因此，要求所加工的填充塑料要有一定的流动性。研究填充塑料的流变行为，对改善成型加工性能具有重要意义。影响填充塑料体系粘度的因素很多。2填充聚合物的流变行为填料浓度、几何形状、粒度、分散状况均对熔体粘度的产生影响对于硬球和正常流体Kg为2.5；对于纤维填料Kg随长径比增大而增大填料浓度对填充体系粘度的影响：填料浓度较低时，填料对分散体系粘度的影响，可用下式表示：η＝η1(1＋Kgφ2)式中：η1-无填料时的粘度；φ2-填料浓度；Kg为形状系数。填料浓度较高时，填料对分散体系粘度的影响，可用下式表示：η＝η1(1＋Kgφ2＋1.41×φ22)呈聚集状态的填料所填充的体系的粘度要高于分散好的填充体系。为了使填充体系具有较好的加工流动性应尽可能采用较高的剪切应力，较高的加工温度，同时对填料进行表面处理，以利于填料在基体中的充分分散。填料的存在可减弱离模膨胀现象，及高填充分数的聚合物比无填充或低填充聚合物的弹性小。实验表明，滑石填充聚丙烯体系的熔体粘度比纯聚丙烯高，且随填充量的增加而上升；随剪切速率增大而降低。例如：对填充40份滑石的聚丙烯体系，剪切速率为10-3s-1时，熔体粘度比纯聚丙烯大一个数量级；提高剪切速率，两种体系的熔体粘度差异减小；当剪切速率达到1s-1时，两种体系的熔体粘度差异消失。填料性状对填充体系粘度的影响：片状、纤维状填料，对填充体系粘度的影响较大；粒状填料影响较小。填料粒度越小，越易产生聚集，填充体系的粘度越大。经表面处理的填料，表面能低，分散性好，可降低填充体系的粘度1）填料的加入使填充聚合物的弹性模量增大3填充聚合物的力学性能树脂：弹性模量较低，即使是弹性模量较高的聚酯、聚酰胺，也仅为金属弹性模量的2.5-10％。填料：弹性模量比聚合物的弹性模量大很多倍，填料的加入会使填充塑料的弹性模量增大。大颗粒填料，对填充体系的弹性模量增大较少；片状和纤维状填料，对填充体系的弹性模量增大显著。2）拉伸强度在填充塑料中填料为分散相，被分割在基体树脂的连续相中，在受力截面上基体树脂的面积必然小于纯树脂构成的材料，所以填充塑料的拉伸强度较未填充体系一般有所下降。但如果通过表面处理，填料与基体树脂的界面黏合得好，填充体系的拉伸强度可能会高于基体的拉伸强度。高长径比、高径厚比的纤维状或片状填料都能使复合材料的拉伸强度得到改善。3）受到拉伸时断裂伸长率均有所下降4）填料的加入往往使抗冲击性能下降5）硬度得到提高，耐磨性增加4、填充聚合物的其它物理性质1）热性质填充聚合物的耐热性能主要取决于基体树脂本身，对于非结晶的无定形聚合物其耐热性能取决于玻璃化温度，而对于高度结晶的聚合物，其耐热性能取决于聚合物熔点。填充聚合物的热变形温度提高（模量和粘度增加）。填料的热膨胀系数小，填充聚合物的热膨胀系数会比纯聚合物的小，因而成型收缩率降低，提高了尺寸稳定性；但在成型中，因热膨胀系数的差异，冷却过程中填料周围存在很高的残余应力，若填料分散不均匀或纤维、片状填料，不均匀的收缩容易造成翘曲变形。2）光学性质填料本身的色泽对填充聚合物外观颜色起着决定性的作用填料的加入使制品表面粗糙，影响塑料本身的光泽当填料的粒径变小时，可以显著改善填充聚合物的表面光泽和粗糙程度。折射率单一、与基体树脂折射率相同且填料表面与树脂结合良好，将不影响基体树脂的透明性。通过对填充塑料表面的观察，很容易发现是否有色泽或外观上显著不一致的情况，从而可以判断填料在基体中分散程度的好坏。材料表面有白斑说明填料分散不良；填料中的水分在加工过程中会挥发出来形成空泡产生遮光效应；填料的不均匀分布会引起应力发白、树脂含量较高区域产生银纹现象等。某些无机填料具有阻隔红外线透过的作用3）电学性质1、填料的加入不影响基体的绝缘性2、一般无机填料可以提高塑料的介电强度，而有机填料和水分使塑料的介电强度下降。（介电强度：一定厚度的被试验材料在短时间或逐步试验过程中发生介电击穿时的伏特数）3、引入炭黑或金属填料解决塑料的静电问题。4）磁性质结构型：聚合物本身就是磁性，聚双2，6-吡啶基辛二腈（PPH）复合型：磁粉填充塑料，铁氧体类或稀土类磁性塑料磁性塑料的性能主要取决于磁粉材料，其次也与所用的树脂、磁粉用量和成型加工方法有关。与传统用磁材料相比，具有质轻、柔韧、可连续成型，可制成形状复杂的制品，有极好的化学稳定性。4、成型加工性能

一般，填料的加入使体系粘度增加，加工流动性降低。

硬度较高的填料对设备的磨损严重。三、填充塑料加工中的共性问题1、填料对加工流动性的影响2、加工设备磨损问题3、成型收缩率问题4、取向问题5、熔融焊接问题6、对片状或纤维状填料几何形状的保护问题7、水分或低分子物问题8、成型加工条件对填充塑料制品材料性能及外观质量的影响1纳米粒子的特性“纳米”：长度计量单位。一“纳米”(nm)是一米的十亿分之一(10-9m)。纳米粒子：是指平均粒径小于100nm的粒子。

当任何材料用高科技手段被细化到纳米量级时,该材料的物化性能就会发生巨大的变化,产生出一些奇异的物化现象,

其性质既不同于单个原子、分子，又不同于普通的颗粒材料呈现出与常规材料完全不同的性质。3.3聚合物纳米复合材料表面效应

一般而言，随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。纳米微粒尺寸d（nm）包含总原子

表面原子所占比例（%）10

3×104204

4×103402

2.5×102801

3099

随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。当粒径为1nm时，纳米材料几乎全部由单层表面原子组成。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系

当超细微粒的尺寸不断减小,在一定条件下，会引起材料宏观物理、化学性质上的变化。“摔不破的陶瓷”，“颜色变黑”，“隐身材料”，“抗菌材料”小尺寸效应

将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合在一起，而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒子还可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而结合在一起。可显著改善聚合物的刚性、韧性、强度、耐磨性等力学性质.

但是，纳米粒子的表面效应、小尺寸效应，使其表面能迅速增大；另外，无机纳米粒子为亲水性的强极性表面，与聚合物极性差别很大，填充改性时易于“团聚”。实验结果表明，若纳米粒子在填充改性聚合物中不均匀分散，有大量团聚体出现时，改性效果甚微。

关键技术：如何使纳米粒子以原生粒子形式均匀分散于基体树脂中。或采用特殊的技术，或施加大的外界推动力2纳米复合材料的常用制备方法：（1）“由小到大，控制大小”，即纳米粒子从原子或分子成长而得。按照聚合物组分与纳米颗粒在复合体系中形成的先后次序，可以分为三种情况：

A、先制备聚合物基体，然后无机纳米粒子在聚合物基体提供的受控环境（或称纳米反应器）下通过化学反应由原子、分子原位生成。在此过程中，无机组分的尺度被控制在纳米范围。简称为原位生成或纳米模板法。

可以提供纳米模板或纳米反应器的聚合物在分子结构上均带有强极性基团，如磺酸基、羧酸基、羟基、胺基等。这些强极性基团可以与强极性的