功能性填料在塑料中的添加量較高，從約 5%到 70% 以上不等，其作用兼具了賦予材料功能特性以及替代部分聚合物基材。功能性填料包含不同類型材料，有些填料專門用于提供阻燃功能，如氧化銻 (ATO)、二氫氧化鎂 (MDH) 和三水鋁 (ATH)。目前，ATO 在供應(yīng)鏈方面非常不穩(wěn)定，配方工程師們正在努力尋找和驗(yàn)證它的替代品。除阻燃性外，增強(qiáng)性填料還具有其它功能特性，包括剛度和尺寸穩(wěn)定性。

 

在過去，功能性填料替代聚合物基體多出于降成本考量，而現(xiàn)今該舉措更被賦予可持續(xù)性內(nèi)涵——特定情境下可直接降低碳足跡。填料可包括植物基材料、礦物質(zhì)或合成礦物質(zhì)，或玻璃微珠等其它材料。

 

塑料改性材料的輕量化仍然是礦物填料使用的一個重要趨勢

Magris 滑石粉公司全球業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān) John Poulakis 說，礦物技術(shù)與改性工藝的發(fā)展使用戶能夠最大限度地提高填料含量，從而降低改性成本并改善性能。Poulakis 解釋說，該公司專有的氣流粉碎工藝可生產(chǎn)出保持片層性的宏晶和微晶滑石細(xì)顆粒。

 

圖 1：Magris 稱其 Hyperplate 高長徑比宏晶滑石粉采用專有的濕磨分層工藝生產(chǎn)（圖片來源：Magris）

此外，該公司的 Hyperplate 高長徑比宏晶滑石粉是采用專利濕磨分層工藝生產(chǎn)的（圖1）。與長徑比為 30-35 的傳統(tǒng)滑石粉相比，100-150 的高長徑比在應(yīng)用中提高了產(chǎn)品剛度和尺寸穩(wěn)定性，例如用于汽車外飾材料熱塑性烯烴等。這些特種滑石粉還能提高阻燃性能，可部分替代其它阻燃劑，如 EVA材料中的 MDH 或 ATH 或 PA66 中的膨脹型阻燃劑。

Poulakis 補(bǔ)充說，塑料改性材料的輕量化仍然是礦物填料使用的一個重要趨勢，尤其是在電動汽車（EV）部件中。例如，提高機(jī)械性能的滑石粉可以讓零件的尺寸做得更小，或以較小的滑石粉添加量提供同等性能。

化學(xué)或物理發(fā)泡工藝同樣適用于多領(lǐng)域輕量化應(yīng)用。據(jù)Poulakis報(bào)告，Magris Talc公司經(jīng)表面處理的微片層狀MistroFoam滑石粉作為成核劑用在乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）鞋中底配方中，相較廣泛應(yīng)用的二氧化硅基添加劑可形成更均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。

 

回收滑石粉

Magris 滑石粉公司新推出了100% 工業(yè)后回收滑石粉牌號，礦山廢料經(jīng)加工轉(zhuǎn)化為高純度成品滑石粉，達(dá)到優(yōu)級品標(biāo)準(zhǔn)。JetFil M 系列以及部分其它牌號已通過 UL Environment（ULE）的消費(fèi)前（工業(yè)后）回收成分認(rèn)證，并帶有 ULE的環(huán)境聲明驗(yàn)證標(biāo)志。

“Magris滑石粉公司位于美國蒙大拿州的黃石礦（Yellowstone Mine）擁有純度極高的微晶滑石礦床，大部分礦石的純度都高于大多數(shù)進(jìn)口產(chǎn)品。過去，我們純度低于 98% 的礦石都被當(dāng)作廢料?，F(xiàn)在，我們讓純度在 95-98% 之間的礦石重獲新生。”Poulakis 說。

他表示，美國客戶對汽車熱塑性聚烯烴（TPO）、建筑材料和包裝等大市場表現(xiàn)出濃厚興趣，部分客戶已開始使用這些牌號的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品于去年在中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會（Chinaplas）上推出，目前也在與亞洲客戶開展項(xiàng)目。 Poulakis 稱：“一些客戶有意將 PIR 滑石粉牌號與再生塑料結(jié)合，生產(chǎn) 100% 再生復(fù)合材料。”

該公司正將這種工業(yè)后回收材料加工成各種粒徑，并按白度進(jìn)行分選，以制備適用于不同應(yīng)用場景的牌號。盡管其白度會低于原始 JetFil 滑石產(chǎn)品，但改性復(fù)合后材料的力學(xué)性能預(yù)計(jì)與后者相近。

Safic Alcan 旗下分銷商 ChemSpec Canada 于今年 3 月宣布與 Cimbar Performance Minerals 建立合作伙伴關(guān)系，后者為熱塑性塑料等應(yīng)用領(lǐng)域提供滑石粉產(chǎn)品。該公司提供的滑石粉產(chǎn)品適用于熱塑性塑料等應(yīng)用領(lǐng)域。高片層結(jié)構(gòu)滑石粉旨在改善外觀、功能和加工性能。

 

葉蠟石和斜長巖

Trinity Performance Minerals公司在加拿大紐芬蘭擁有一個葉蠟石礦，該公司表示，葉蠟石是一種鋁硅酸鹽礦物，具有高嶺土的化學(xué)性質(zhì)和滑石的高寬比，他們的技術(shù)碳足跡低，并能控制性能特性。這種礦物是滑石粉的替代品，具有高亮度和白度。2023 年 5 月，美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)了將該產(chǎn)品作為填充物添加到聚丙烯和聚丙烯共聚物中用于制造可重復(fù)使用的硬質(zhì)食品接觸容器（與嬰兒配方奶粉和母乳接觸的容器除外）。

Lumina Sustainable Materials公司的總裁Brian Hanrahan表示，該公司正在印第安納州進(jìn)行新型斜長巖加工中試，該礦物采自格陵蘭礦區(qū)。格陵蘭斜長巖具有獨(dú)特的形態(tài)學(xué)與化學(xué)特性，形狀像碳酸鈣，硬度類似硅灰石。公司通過超細(xì)粉碎工藝將礦物粒徑控制在非磨蝕性范圍，并具備母粒制備能力。

據(jù)介紹，有多種材料在能夠替代礦物填料的同時還能減輕重量，如，天然填料和纖維（如大麻、木粉等）。微珠是另一種輕量化的替代方案。

總部位于美國賓夕法尼亞州和荷蘭的諾力昂公司（Nouryon）提供Expancel可膨脹微珠產(chǎn)品，該產(chǎn)品兼具‌發(fā)泡劑‌和‌輕質(zhì)填料‌雙重功能“微珠由熱塑性殼體包裹氣體構(gòu)成。受熱時，它們會急劇膨脹，體積最大可增至原始體積的‌60倍‌。”諾力昂解釋道。

該公司最新推出的產(chǎn)品是Expancel Bio可膨脹微珠，其外殼采用部分生物基聚合物制成，使產(chǎn)品的可再生成分高達(dá) 55%。該公司報(bào)告說，第一代生物基微珠是基于醋酸和/或丙酸取代的纖維素酯類微珠產(chǎn)品。該產(chǎn)品適用于汽車零部件和鞋底等應(yīng)用領(lǐng)域。

歐米亞公司（Omya）的 Omya sphere 900 中空玻璃微珠由鈉鈣硼硅玻璃衍生，可用于各種塑料的輕量化。該公司稱，這種微珠密度低、抗壓強(qiáng)度高、亮度高。

2023 年 6 月，歐米亞收購了奧地利微珠生產(chǎn)商 Bublon，此次收購不僅提升了歐米亞在輕質(zhì)填料領(lǐng)域的加工能力，同時獲得了專利保護(hù)的高能效生產(chǎn)工藝。Bublon微珠以珍珠巖（一種天然火山玻璃礦物）為原料，其核心技術(shù)在于通過專利電爐對原始珍珠巖進(jìn)行受控?zé)崤蛎?，最終形成閉孔結(jié)構(gòu)的膨脹珍珠巖。

歐米亞輕質(zhì)填料全球業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān) David González Amago表示：“該技術(shù)不僅‌完善了我們現(xiàn)有產(chǎn)品體系‌，更與我們提供先進(jìn)可持續(xù)材料與解決方案的‌企業(yè)承諾完全契合。”

據(jù)經(jīng)銷商Dreytek公司曾表示，日本板硝子集團(tuán)（NSG Group）的玻璃鱗片產(chǎn)品Duraflake在彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度方面已接近玻璃纖維水平，且性能顯著優(yōu)于云母及該司早期玻璃鱗片產(chǎn)品。例如，添加30% Duraflake的PA66材料相較于玻纖增強(qiáng)材料，在薄壁件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的翹曲變形顯著降低。該玻璃鱗片具備透明特性，克服了云母增強(qiáng)導(dǎo)致的灰暗色調(diào)問題。針對這種硼硅酸鹽玻璃鱗片，可提供多種浸潤劑——即改善玻璃與聚合物相容性的涂層材料。

益瑞石（Imerys）作為全球領(lǐng)先的礦物供應(yīng)商，提供包括碳酸鈣、滑石粉、云母、硅灰石等在內(nèi)的多種應(yīng)用于塑料復(fù)合材料的礦物原料。其石墨與碳材料業(yè)務(wù)板塊（Imerys Graphite and Carbon）推出的Timrex系列天然/人造石墨產(chǎn)品，憑借多樣化的形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能特征，可精密調(diào)控聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能及機(jī)械特性。公司最新產(chǎn)品Sunergy則是一款高性能低碳足跡石墨，采用創(chuàng)新的零催化劑工業(yè)級工藝制備而成

據(jù)益瑞石公司報(bào)告，這種合成石墨粉由該公司位于瑞士博迪奧（Bodio）的生物精煉廠以林木業(yè)殘?jiān)鼮樵仙a(chǎn)而成，相較傳統(tǒng)工藝可降低60%碳排放。由于該工藝不使用催化劑，可顯著降低高純度應(yīng)用場景下的污染風(fēng)險(xiǎn)。該產(chǎn)品在瑞士本土化生產(chǎn)并采用本地原料，為歐盟地區(qū)提供了供應(yīng)鏈安全性保障。

該公司稱，新型石墨添加劑已在多種聚合物應(yīng)用中通過評估，結(jié)果顯示其在導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和潤滑性方面的性能與使用益瑞石高純度 Timrex 石墨制成的材料相當(dāng)，甚至更優(yōu)。

益瑞石在加拿大Boucheville的生產(chǎn)基地開發(fā)出了新的云母牌號Suzorite。這些用于熱塑性塑料的新產(chǎn)品通過材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了‌增強(qiáng)效率最大化‌、‌尺寸穩(wěn)定性優(yōu)化‌以及‌熱屏障/阻燃協(xié)同效應(yīng)‌。公司商務(wù)總監(jiān)Michele LaPerna Wong指出：“該產(chǎn)品通過降低添加量和/或減薄厚度拓展輕量化可能性，對標(biāo)現(xiàn)有解決方案可顯著改善翹曲變形并降低線性熱膨脹系數(shù)。”

 

生物成因礦物

Calcean Minerals & Materials 公司持續(xù)供應(yīng)一種生物成因碳酸鈣。該公司稱，這種材料可在不影響終端產(chǎn)品性能的前提下，幫助降低其碳足跡。這種文石屬于生物沉淀碳酸鈣，由巴哈馬淺海區(qū)域的浮游植物自然富集形成。這種生物基礦物經(jīng)采集和粉碎研磨后制成 OceanCal 鮞狀文石粉，提供未處理型及植物基硬脂酸涂層型，標(biāo)準(zhǔn)粒徑分布的中位粒徑（D50）為 3 微米、5 微米和 8 微米。公司表示，目前正積極開發(fā)超細(xì)及較粗等級產(chǎn)品，以拓寬產(chǎn)品線。

此外，該公司還在美國佐治亞州薩凡納（Savannah）擴(kuò)建并開設(shè)了一家新工廠，以補(bǔ)充其在阿拉巴馬州加茲登（Gadsden）的現(xiàn)有工廠。公司表示，新工廠位于沿海地區(qū)，可直接通過鐵路運(yùn)輸，有助于高效服務(wù)于國內(nèi)外市場。薩凡納工廠目前向各行業(yè)供應(yīng)干燥篩分處理過的文石原料，其粉體加工設(shè)備正處于調(diào)試階段，即將實(shí)現(xiàn)本地化粉末供應(yīng)。

為了量化碳減排，該公司已為其產(chǎn)品建立環(huán)境產(chǎn)品聲明體系（Environmental Product Declaration ，簡稱EPD）。該公司解釋說：“EPD 確認(rèn)了我們的鮞狀文石具備‌氣候正效益‌（climate positive），這意味著它從大氣中清除的碳要多于開采和加工過程中排放的碳。”

 

碳酸鈣

Incoa 公司表示，其 InCal 碳酸鈣礦物改性劑適用于熱塑性塑料，采用無水研磨生產(chǎn)，排放量低。該公司的 EPD 顯示，InCal 的二氧化碳排放量為 210 千克二氧化碳/公噸，比行業(yè)平均水平低 25-30%。在含InCal填料的聚丙烯（PP）改性材料在熱塑成型食品托盤中的應(yīng)用案例中，該填料不僅降低了材料的碳足跡，同時還減少了加工過程中所需的加熱能耗。

公司宣稱，其產(chǎn)品 InCal 10BF BioFill 是一種經(jīng)特殊改性的碳酸鈣，可在擠出加工過程中抵抗水解作用——這對于聚酯類材料及酯基生物聚合物而言是一個常見的問題。

Incoa 的 InCal 10BF 和 15BF 表面處理牌號專為在微孔 PE/PP 透氣薄膜和 BOPP 包裝中實(shí)現(xiàn)良好分散而設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)包括熱穩(wěn)定性和紫外線穩(wěn)定性、高疏水性、高水蒸氣透過率和耐水壓性，此外還能降低成品的碳足跡。

歐米亞公司表示，其新一代 Omyamax 碳酸鈣母?？蔀閺?fù)合改性廠商和產(chǎn)品成型廠商提供優(yōu)化的產(chǎn)量和分散質(zhì)量，適用于聚丙烯（PP）扁絲編織袋、超薄HDPE薄膜袋、熱成型片材及其它軟/硬質(zhì)包裝領(lǐng)域。該母粒在改性生產(chǎn)中能使雙螺桿擠出機(jī)產(chǎn)量提升高達(dá)35%。

該填料于2022年上市，相較于傳統(tǒng)碳酸鈣，它能顯著降低聚丙烯（PP）降解程度，可在不影響紫外線穩(wěn)定性的前提下提高填充比例（例如用于PP扁絲編織袋）。?？松梨冢‥xxonMobil）近期的一項(xiàng)案例研究介紹了在其高性能編織帶芯層中同時采用Vistamaxx改性聚合物與歐米亞碳酸鈣母粒，新型母粒配方使產(chǎn)品韌性和斷裂伸長率獲得了同步提升。

 

本文翻譯自AMI《COMPOUNDING WORLD》
作者：Jennifer Markarian

 

來源：榮格-《國際塑料商情》

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