高填充的“填料”如何實現

George Wypych在《填料手冊》中這樣定義填料：“填料是一種固體材料，它具有通過自身物理特性和表面相互作用，或者沒有表面相互作用來改變材料物理和化學性質的能力。”填料可用于環氧塑封料、熱界面材料、覆銅板、塑料等材料中起到改進強度、導熱能力等各種性質，或起到降低成本的作用。填料作為改進復合材料性能的重要組成，其填充技術也就顯得非常重要。常用的無機非金屬填料類填料有二氧化硅，氧化鋁，氮化硼，玻璃微珠，碳酸鈣及滑石粉等等。

  絕緣導熱填料賦予塑料材料更優秀的絕緣導熱能力 隨著電子領域高密度、小型化、高精度、多功能技術的迅速發展，電子元件、封裝材料、電路基材等朝著高純度、高可靠性、高導熱、耐高溫焊、耐高濕熱、高粘結強度及低應力、低膨脹、低吸水、低粘度、低環境污染、易加工等方向發展。要制備這類高性能材料，關鍵技術是提高填料填充量和使用性能好的樹脂。但是加大填料的填充量后帶來的主要缺點是粘度增大，流動性大大下降，因此在享受高填充所帶來的材料高耐熱性、低膨脹收縮率、高可靠的同時要解決高填充流動性問題，對填料也有更高的要求。因此實現填料的高填充對進一步發揮填料特性以提升復合材料的性能是非常有必要的，為此本文與大家探討一下對于復合材料而言極為重要的“填料的高填充技術”。、

填充多少算是“高填充”？
高填充是一個相對的概念，在不同的應用場合，由于材料的功能需求不同，集體體系和加工條件不同，“高填充”對應的填充比例門檻是不一樣的。 例如：對于環氧樹脂而言70%是個低填充比例，而對于覆銅板來說卻已經是最高比例。對于木器漆面漆等6%是高填充比例，而對于導熱硅脂而言填充比例卻能高達94%甚至更高（備注：如上比例為質量百分比。）   導熱硅脂等材料中通常含有大量導熱填料 不同材料不同應用領域的填充量“高低”表現出不同的個性，但填料的填充過程面對的體系粘度、分散均勻性、填料和基體之間界面等問題卻是共性的，

 實現高填充的手段？ 為解決填料高填充帶來的不良影響，通常通過如下幾種方法：①加入低粘度特種樹脂；②加入球形填料，并采用大小球復配方式，調整填料的堆積密度；③對填料進行表面處理；④采用特殊的分散設備。

1、采用低粘度的特種樹脂 樹脂作為復合材料的基材，其自身特性改善對填充過程的影響自然不可忽視。舉個例子：環氧樹脂具有收縮率低、粘結性好、電氣絕緣和耐化學品性能突出等優點得以廣泛應用。但環氧樹脂也有不足之處：粘度高、流動性差等。為解決這些問題，人們在不影響環氧樹脂綜合性能的前提下積極研究開發新型結構的環氧樹脂。聯苯型環氧樹脂、雙環戊二烯型環氧樹脂、鄰甲酚醛環氧樹脂、液晶環氧樹脂等便是高耐熱、低吸潮、低粘度環氧樹脂的典型代表。

  2、采用球形填料及顆粒級配 一般來說填料片狀、纖維狀的填料對填充體系粘度影響較大，而粒狀填料對填料影響較小。而在粒狀粉體各種形貌中，球形及類球形粉體的流動性更佳，可以有效減少填料對填充體系粘度影響，從而實現更高的填充量。但在某些應用條件也會有降低流動性的要求，因此會有采用角形填料與球形填料復配的需求。 

理論上，往均一球形顆粒產生的空隙中連續不斷地填充適當大小的小球，將可獲得非常緊密的填充體，但在實際的填充過程中填充結構隨顆粒粒度大小、顆粒相互作用大小，以及填充條件而變化，因此很難得到完全緊密的填充體。要獲得緊密的填充體，需要適當的大小顆?；旌媳群土６确植?。

顆粒級配示意圖 

3、對填料進行表面處理 填料的表面改性一直是顆粒表面特性控制的熱門話題。填料的表面改性就是指用物理或化學方法對填料粒子表面進行處理，改變了粒子表面的物化性質和賦予與其他物質相結合的各種官能團。目的是降低粒子的表面能，消除粒子的表面電荷，提高粒子與有機相的親和力，降低粒子表面極性。

填料通過表面處理，一方面可以減小粒子間的作用力，有效防止粒子間團聚，降低整個體系的粘度， 增加體系的流動性；另一方面可以增強粒子與聚合物基體的相容性， 使填料粒子在聚合物基體中均勻分散。

最理想的處理結果如上圖中的狀態，將填料與填料之間的作用力降到最低，并使填料均勻分散在基體材料中。

4、采用高效率的分散設備 使用強而有效的分散技術，將填料分散至盡量小甚至是原始粒徑對降低體系粘度以及增加復合材料的流動性有重要的作用。目前已有多種高效的分散技術應用于固態團聚體的分散，如球磨法、輥磨法、高壓均質機分散法等。 

a球磨法 

球磨法是固/固分散或固/液分散的有效方法。球磨法有幾個特點：廣泛適用，低勞動成本和維護成本，無揮發損失，常用設備為臥式砂磨機。舉個例子使用臥式砂磨機對50%固含量的陶瓷漿料進行分散后，流延制成的陶瓷生膜片表面光滑平整，漿料均勻分散在粘合劑基體中，無團聚體存在。

  b輥磨法 

輥磨是通過強大的剪切外力破壞原料顆粒內分子之間的結構應力，再經中前兩輥高速的二次研磨，從而達到迅速的粉碎和分散，進而達到各種原料的高度均勻混合。輥磨機粉碎、分散性能好，質量穩定、操作方便、換色容易，同時可配合砂磨，膠體磨等設備使用。輥磨機最大的優點是適用于粘度高的產品，這對高填充復合材料的制備起到很大的作用。 常用設備為三輥機（別名三輥研磨機）

c高壓均質機分散法 

高壓均質分散機運行時是通過高壓往復泵為動力使物料瞬間受到湍流、空穴、剪切等復合力的作用，從而使液態物質或以液體為載體的固體顆粒得到超微細化。 常用設備為高速分散機。

高壓均質原理