硅灰石在高分子材料改性中的应用进展
广西煤炭科学研究所 兰黄鲜
高分子材料具有如电绝缘、绝热、易成型等特点，随着应用领域的快速发展，对高分子材料的功能和性能提出
了日益广泛而严格的要求。采用改性无机非金属矿物粉体填充高分子材料，不仅可降低材料的成本，更重要的是能
够大幅提高其强度、刚性、表面硬度等物理机械性能，此外，改性无机非金属矿物粉体作为添加剂，还能赋予高分
子材料新的功能，如抗压、抗冲击、耐腐蚀等，硅灰石是其中应用最为广泛的品种之一，其作为塑料的增硬剂、功
能改性剂和橡胶的增强、增韧填充原料，现已实现工业化生产。
1．硅灰石在通用塑料中的应用
通用塑料成型性好、价格低廉，因而被广泛应用于工农业生产和人们的日常生活。然而，未改性通用塑料的耐
热、低温冲击性差，易老化，存在缺陷，往往通过添加无机非金属填料或助剂加以改善。
吉林大学和美国麻省理工学院科研人员利用表面活性剂对硅灰石进行改性后，将其用于填充超高分子量聚乙烯
（UHMWPE），发现制得的复合材料耐磨损性能、拉伸强度和冲击强度均有提高，其耐干滑动磨损性能在硅灰石含量为
10%（质量分数）时最好；黑龙江大学科研人员通过对线性低密度聚乙烯（LLDPE）填充活化的硅灰石的研究发现，
填充经活化的硅灰石的共混材料，其拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲弹性模量均有大幅度的提高，填充的
硅灰石粒径越小，共混材料的力学性能越好；美国路易斯安那大学、湖南科技职业学院、印度贾达普大学、南京工
业大学、印度国家化学实验室等科研机构的研究人员，通过对硅灰石进行表面处理，研究复合材料的力学和结晶性
能，结果表明，改性硅灰石可使聚丙烯的缺口冲击强度提高，相容性也得以较大程度地改善，并使复合材料的韧性
和HDT(热变形温度）得以提高。
硅灰石在工程塑料中的应用
工程塑料的强度、硬度、耐冲击性、耐热性及抗老化性能十分优异，但由于各品种的化学结构不同，性能也有
所差异。除聚碳酸酯等少数品种具备极好的耐冲击性外，其他品种通常具有硬、脆、延伸率小的性质，一般通过添
加适量的改性无机非金属矿粉，改善其综合性能。
斯洛文尼亚马里博尔大学及印度中央建筑研究院科研人员研究表明，硅灰石对不饱和聚酯（UP）有良好的增强
作用，当硅灰石加入到不饱和聚酯树脂后,所制备的复合材料性能的拉伸强度、弯曲强度都有显著的提高，且收缩率
明显降低；四川大学、英国杜伦大学、大连工业大学及湖南科技职业学院等科研机构的研究人员采用不同改性剂对
硅灰石进行表面改性，并制备了相应的尼龙6/硅灰石复合材料，结果表明，改性硅灰石可改善复合材料的拉伸强度、
冲击强度、耐磨损性能、吸水性及成型收缩率等；北京化工大学等单位的科研人员研究了填充硅灰石粉对尼龙66
的结构和性能的影响，发现随着硅灰石填充量和细度的增加，复合材料的冲击强度、耐热性能、尺寸稳定性得到很
大提高；武汉理工大学科研人员对硅灰石粉的表面改性效果及填充ABS塑料力学性能的研究表明，经γ-（甲基丙烯
酰氧基）丙基三甲氧基硅烷改性后的硅灰石填充ABS，在增强复合材料的刚性和熔体流动性同时也降低了ABS塑料
使用的成本；中国矿业大学研究人员以硅灰石和水玻璃为主要原料，用无机化学沉积法制备纳米SiO2包覆硅灰石复
合颗粒，其将复合颗粒填充到尼龙1010中并对此复合材料进行拉伸、硬度和摩擦磨损实验，结果表明，将纳米颗粒
包覆硅灰石填充到尼龙1010中，可获得较好的结合界面，提高了尼龙复合材料的拉伸强度和硬度；南昌大学研究人
员对硅灰石粉的表面改性效果及在建筑塑料中的应用试验研究表明，以铝钛偶联剂和硬脂酸为改性剂改性后的硅灰
石在建筑中使用，可赋予制品较好的机械力学性能，并可提高塑料制品的热机械性能。
硅灰石在特种工程塑料中的应用
特种工程塑料也叫高性能工程塑料，主要用于国防工业和尖端技术等领域，在特种工程塑料中添加适量的无机
粉体填料可使其综合性能更加优异、成本降低。
南京工业大学科研人员利用钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂和硬脂酸对硅灰石进行表面改性，并对其进行热处理，
测量其处理前后填料与水的接触角的变化，还考察了3种改性剂对复合材料的摩擦学性能和力学性能的影响，研究
结果显示，硅烷偶联剂改性的硅灰石经过热处理后，其与水的接触角由64.5°增加到126.5°，表面性能接近PTFE
基体，相比其他改性剂能够更有效地提高复合材料的摩擦学性能和力学性能。
改性硅灰石在橡胶中的应用
通常而言，提高橡胶的物理机械性能并延长其使用寿命有2条途径：①在橡胶制品中埋入骨架材料, 如纤维纺
织材料或金属材料；②在橡胶中添加各种填料。
硅灰石用于填充橡胶不仅可提高橡胶制品热稳定性，降低其介电指数、吸水性和提高其机械稳定性能，还可以
降低材料成本。
福建省闽北地质大队及中国地质大学科研人员利用化学包覆后的硅灰石粉用于填充天然橡胶，结果表明化学包
覆后的粉料与橡胶基质相容性好，结合紧密，能有效传递载荷，胶片抗冲击强度有效增大；华侨大学、新疆大学与
中国地质大学研究人员的研究表明，硅灰石经超细粉碎及化学包覆改性后用于填充橡胶，能改善与天然橡胶结合的
界面结构关系，增强两相间的相容性，是优良的橡胶增强、增韧填充材料，可以替代白炭黑；中国地质大学科研人
员以硅灰石为原料，用干法改性筛选合适的改性剂种类，发现在硬脂酸质量分数为2%、改性时间为9min、处理量为
10%（质量分数），振动磨容量为10%（质量分数）时，经沉降体积法、表面接触角法、红外光谱等测试及填充丁苯
橡胶试验证实，硅灰石改性效果最佳且填充丁苯橡胶物理机械性能有明显提高，试样拉伸强度增加，永久变形、邵
尔A型硬度等指标增大；华侨大学与中国地质大学科研人员通过对硫化胶力学性能、硫化胶拉伸断口形貌等指标进
行测试，结果均显示硅灰石对橡胶有明显的补强效果。
2．存在的问题和未来发展方向
硅灰石填充高分子材料虽已实现工业化生产，但要使其应用领域进一步扩大，则工艺条件仍有待进一步完善。
今后研究工作的重点应主要集中于：
(1) 新方法 目前的表面改性方法还或多或少地存在不同缺陷，今后表面改性方法的研究应瞄准高效、简单、
条件可控的表面改性方法,以适应硅灰石在不同领域的应用,同时达到降低成本的目的；
(2) 纳米化 纳米级的硅灰石粉自身具有独特的表面效应、尺寸效应和量子效应，填充于高分子材料中，往往
使得制成的复合纳米材料呈现区别于传统材料的许多独特优异性能，今后应重点加以关注；
(3) 复合化 尝试把2种甚至2种以上品种填料填充在高分子材料基体中，加强填料协同效应方面的研究力度，
以期得到更好的填充改性效果。
硅灰石应用于高分子材料，不仅能降低高分子材料的成本、显著提高复合材料的各种性能，扩大其应用领域的
同时，也丰富了复合材料的设计与开发内涵。相信随着人们对无机粒子改性高分子复合材料的深入研究不断深入，
硅灰石的应用将得到更为广泛的推广。