塑料填充改性母料生产应用与市场前景

   1、前言   
    塑料填充改性母料自二十世纪八十年代初投入市场以来,由于其价格低廉,产品性能优异，可改善塑料制品的某些物理特性,替代合成树脂,且生产工艺简单,投资较小,具有显著的经济效益和社会效益.因而,塑料填充改性母料是近年来发展最快的塑料工业中的新行业,已成为塑料加工工业的重要部分和塑料制品的主要添加材料之一.   
    我国1978年以北京燕山石化在生产聚丙烯时产生的副产物—无规聚丙烯(APP),因无法利用,影响环境.北京塑料工业公司的技术人员研制成功了APP+CaCO3母料,作为塑料填充材料,用于打包带,扁丝等制品中,发现它具有明显的优异特性,如;改善制品手感效果,提高印刷性,降低收缩率,降低生产成本,节约合成树脂等,受到人们的高度关注.   
    随着塑料工业的飞速发展,填充改性母料已不再成为单一的填充材料在塑料制品中应用,由于它具有优异的性能和性价比,人们通过更先进的工艺把开炼,密炼的简单加工方式,进而采用平行双螺杆挤出机进行混炼挤出,加入多种材料和助剂后凸现出各自的特点和共性,已成为人们改善塑料制品物理性能具有特殊性能的重要原材料,在塑料工业中占有举足轻重的地位.   

    2、填充改性母料生产现状   
    填充改性母料最早是为了充分利用北京燕山石化在聚丙烯裂解中产生的副产物—无规聚丙烯,而研制的填充母料.随着塑料工业的飞速发展,填充改性母料不但是一种添加材料,能够降低塑料制品的生产成本,还具有改善塑料制品的某些物理性能,如降低制品收缩率,改善外观及手感等特性而得到市场的认可,已成为某些塑料制品中不可缺少的原材料.随着先进工艺和生产技术的完善提高,填充改性母料的品种,性能,用途都在适应市场的需求而不断出现.   

    2.1 主要生产设备   
    填充改性母料的生产设备,最早采用高速混合机混合,双辊开放式炼塑机或密闭式炼塑机，经过混炼压片,平板切粒机造粒.由于该生产工艺仅适用于以无规聚丙烯为载体生产的母料,混炼效果不佳,杂质含量多,分散不均匀,产量较低,质量不稳定,逐步有平行双螺杆挤出造粒机组等生产设备而取代.   
    据不完全统计,目前,国内生产填充改性母料的生产线达千余条,80%的厂家采用高速混合机混合和平行双螺杆挤出造粒机组造粒.双螺杆挤出机以螺杆直径在Φ60mm-80mm为多,最大的螺杆直径Φ110mm,长经比一般为(L/D)28:1-40:1.还有少部分企业采用单螺杆挤出造粒机组(包括双阶式单螺杆挤出造粒机组),单螺杆挤出造粒机组设备造价低,节约能源,生产成本相对较低,但是由于该工艺混炼效果远远不如双螺杆挤出造粒机组,所以,在产品质量和生产产量上受到限制.   
    2.2 主要原辅材料   
    填充改性母料主要原料有烯烃树脂,以非金属矿物粉体为填料(CaCO3用量占80%以上,滑石粉约占10%,高岭土,硅灰土等约5%-8%),表面活化剂主要有铝酸酯偶联剂,钛酸酯偶联剂,硅烷偶联剂等.增塑剂及其它助剂,主要有硬脂酸,PE蜡,PP蜡,,石蜡,白油等.   

    2.2.1载体树脂的选择  
    一般要与塑料制品选用的树脂基本相同或接近,熔体流动速率略大于制品选用的树脂.除了PP,PE等树脂,PS,EVA,ABS等树脂作为生产专用母料的载体,目前,已得到开发应用,应用领域和使用量正在不断扩大.   

    2.2.2 非金属矿物资源丰富,价格低廉,加工方便,已成为填充改性母料的主要材料.在母  
料中使用量最多的是重质碳酸钙,一般要求白度95%以上,含水量<0.3%.Fe,SiO2的含量对产品的影响较大,Fe含量高时,影响产品的白度,SiO2还可对加工设备带来磨损.CaCO3白度好,易加工,价格低廉,粒径呈颗粒状,是填充母料时应用量最大,用途最广的无机材料,用量最多的是400目-1250目,目前逐渐向微细化,功能化发展.   
    改性母料是在填充母料基础上发展起来的新的改性材料.以滑石粉,硅灰石,高岭土等应用量较大,改性母料可明显提高塑料制品的物理性能,改善某些材料的缺陷,如汽车保险杠,仪表装饰件.采用PP+滑石粉,可提高其冲击强度,降低收缩率. 增强母料主要以无机材料(云母,玻璃纤维等)提高制品的机械性能,也有的在加工中添加具有特殊性能的树脂或助剂,如:加入抗氧剂,热稳定剂,阻燃剂等助剂,还有的加入POE,EVA等改性材料.   

    3、市场应用前景   
    填充改性母料在塑料中的应用伊始为降低塑料制品的原材料成本,节约合成树脂,为企 业带来经济效益,所以,受到塑料加工行业的青睐.由于母料不但是填充材料,还具有改善 塑料制品物理性能,提高加工效率等特性,在全国已形成以填充改性,共混增强母料为主导 产品,以无机矿物填料,原辅材料,加工助剂和专用机械制造等相关结合的重要的新兴行业 群体,也是目前塑料加工业中最活跃,发展最快的行业之一.  
    3.1 填充改性母料的应用   
    填充改性母料是以降低生产成本为主要目的,大都采用价格低廉,来源广泛的无机粉体 或工业废物作为填充材料,加入适量的助剂和树脂生产而成.如:红泥+PVC,助剂等,生 产花盆器皿类产品.还有火力发电厂的工业废渣中筛分出的玻璃微珠,可作为注塑产品的填 充材料,在降低生产成本的同时,可明显提高制品刚性,冲击强度等.目前,生产编织袋扁 丝的原料PP,主要有小本体法生产的粉状聚丙烯和颗粒聚丙烯.粉状PP由于价格低,全国 大部分省份都有生产厂家,受到用户的青睐.   
    编织袋是塑料制品中使用填充改性母料时间最早,用量最大的产品.无论是编织袋,吨 装袋,编织布,编织网,遮阳网等制品基本上都在添加改性母料,添加量约为3%-40%,主 要以CaCO3母料为主.母料在扁丝中使用后,提高了印刷效果,降低了制品收缩率和产品成 本.滑石粉改性母料的性能明显优于CaCO3母料,但成本和售价也高于CaCO3母料,在满足 产品质量的前提下,可增加添加份数,弥补价格的差异.滑石粉改性母料在生产薄型塑料制 品中遮光率低,透明性好,制品一般呈青白色透明状.   
    薄膜类改性母料可用于农地膜,包装膜,购物袋,内衬膜,防渗膜,土工膜,流涎膜等. 在农用大棚膜中,因薄膜的使用环境变化大,覆盖时间长,对透光性,保温性及无滴效果都 有严格的要求,添加的数量和粉体的质量都要谨慎选择,粒径越细,透光效果越好,力学性 能越高.   
    包装膜要根据用途不同,添加份数不同,在透明性要求非常高的粮食,蔬菜,商品类包装袋或保鲜膜中改性母料的添加量很少或在2%-5%左右,改性母料含量高时会影响膜的外观, 热合效果和自封性.但作为一般产品的外包装袋或防渗膜,添加量可达到10%-20%,对物理性能要求不高的产品可添加到30%左右.包装膜或包装袋中加入滑石粉母料后,外观光亮,透明性较好,拉伸强度增加,但雾度有时会增大.   
    塑料购物袋已成为人们不可缺少的盛装物品的包装袋,大多一次性使用后,不再重复使用,所以购物袋的外观,印刷,性能等都有特殊的意义,如:清雅美丽,印刷精良,性能优异,外观好看的塑料袋,除了物品的盛装方便外,广告效应也不可忽略.此类塑料袋中大部分都添加改性母料,增白母料,色母料等.   
    塑料内衬膜是外包装物的防潮,隔湿的重要材料,由于有外包装起到物理性能的保护作用,大部分内衬膜生产厂为了降低生产成本添加填充改性母料量比较大.这类内衬材料添加CaCO3母料一般在10%-30%左右,如果用滑石粉母料时,除了考虑其力学性能,生产成本等方面的因素要做以比较外,外观,光亮效果,透光率,设备磨损等也是滑石粉母料的特性或优点.   
    防渗膜,土工膜(网)是新型防水工程材料,防渗膜主要用于河渠,湖泊,池塘的防渗防漏.土工膜(网)是道路边坡,堤坝边坡及各种大型工程的防水和支撑材料.这类产品的幅宽一般在8m以上,最宽的达24m,膜也比较厚,在这类产品中加入适量(5%-15%)的改性母料,在降低生产成本的同时,能够明显的改善制品的抗冲击强度和断裂强度.   
    流涎膜是塑料薄膜中生产较晚,发展较快的新品种,它是采用挤出机在较宽的模头中挤出后流延在压延辊上,延伸冷却而成,流延膜主要作为台布,衬垫,雨衣,包装膜,卫生巾等.流延膜中的有些产品对力学性能要求不高,添加的母料份数一般达10%-40%,但对无机材料的粒径要求控制10um左右最好,要求母料的MFR要大些,流动性好,分散均匀.   
    中空制品中的塑料桶类是新型包装容器,具有耐化学品的稳定性好,腐蚀性小,质量轻,洁净卫生,生产成本低等优点,以替代金属材料生产的桶,广泛用于化工,日用,油脂,食用品,医用品的液体包装.桶的形状有方形,扁形,圆形等,它的重要技术指标有密封性,跌落试验,保压等.   
    目前,生产厂家大都采用高分子量高密度聚乙烯(分子量在50万左 右)的原料生产.50L左右的桶类产品中添加CaCO3母料,可降低生产成本,提高容器的硬度.但在盛放酸类物质时,易受到侵蚀,影响使用.大型桶类的力学性能,冲击强度要求非常高,目前基本上都很少添加填充材料.而在小型带颜色的各类桶中添加适量的改性母料,在降低生产成本的同时,各项物理性能指标均能够达到标准要求,还可减少制品收缩率,改善制品刚度.   
    管材,板材类.塑料管材是我国近几年发展最快的塑料制品之一,PVC管材作为上下水管用量较大,但添加的材料是轻钙,改性母料不适用于PVC制品.PE管材发展较快,特别是大型管材,波纹管,双壁波纹管已广泛用于城市供水,排水,地下管道及化工管道,天然气的输送管道,替代了钢管,水泥管及其它管道.采用纯PE树脂生产的大型管材环刚度及拉伸强度等物理性能较低,一般需要改性增强.目前塑料管材添加改性母料的份数在5%-20%,添加滑石粉改性母料,可明显改善管材的环刚度,拉伸强度,弯曲模量等.   
    注射制品.注塑产品种类很多,主要有工业零部件,家电部件,日用品等,由于注塑是在短时间内(几秒或几十秒)物料在熔融状态下按照模具的形状凝聚,所以树脂的分子结构呈缠结型状,在加入改性母料时,也要考虑合成树脂的选择.改性母料的添加份数根据注塑制品的形状,体积,用途,性能,要综合考虑,特别是薄制品,力学性能又有特殊要求的更要特别慎重.   
    近几年来,很多生产厂家开发了多种新产品,在市场上得到了应用推广,取得了令人满意的 效果.如PP/滑石粉生产的改性母料加工成一次性快餐盒(具)具有价格低,外观精美等优点,具有很好的市场竞争力和发展前景.PE/滑石粉生产的改性母料可用于电缆电线埋地梅花管等管材;还有PP/滑石粉增韧改性母料,PE/高岭土薄膜保膜母料,晶须碳酸钙增强母料,晶须镁盐增强母料等等.这些新产品应用于家电,汽车,装饰材料等诸多方面扩大了改性母料的应用领域,取得显著的经济效率和社会效益.  
  
    3.2 填充改性母料市场现状与分析   
    填充改性母料是涉及领域广,用途范围大的功能性材料,十几年来,中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会组织各大院校,科研单位,设备制造,原辅材料,产品生产厂家多次举办技术交流活动,以推动填充改性母料发展为已任,以提高行业水准为目标,以服务会员企业为目的,做了大量的有益工作,得到了国家行业领导及广大会员的赞誉.   
    填充改性母料生产厂家,主要分布在河北,浙江,北京,天津,广东,江苏,河南,陕西,四川,甘肃,广西等20多个省市,自治区约有300多厂家,年生产能力约在250-300万吨,年生产填充改性母料约200万吨.   
    填充改性母料在全国市场来看,还存在着价格差别和供求不平衡的现象.由于近几年新上马企业较多,又追求急功近利,挤占市场,产品价格大幅度下跌,致使填充改性母料生产厂家利润急剧下降,特别是在生产厂家较集中的地区,市场竞争尤为激烈,很多产品处于微利或无利的边沿,企业只能靠增加产量和提高服务承诺来维持经营.   
    目前,全国约85%的填充改性母料生产企业是以填充母料为主导产品,市场竞争激烈,经济效益大幅度下滑,而有些企业在原有生产基础上,开发新产品,投放市场后,取得了令人满意的效果.浙江,江苏,广东等地的生产企业,采有共混改性技术,生产工程改性材料和功能性母料,效益非常可观.还有很多企业都在研发生产改性增强母料,扩大应用领域和使用范围,经济效益和市场前景都非常可观.
   
    4、存在问题及建议   
    塑料填充改性母料是塑料加工工业的重要组成部分,涉及塑料制品的诸多领域,由于发展迅速,又是新的多元共混而成的改性材料,现就有关应用方面的技术问题进行交流,供大家参考.   
    粒径的选择.无机粉体是以改善塑料制品性能为目的,选择的粒径一般在10mm-38mm左右,粒径越大,母料中含量越大,母料成本越低,粒径大的材料用于厚制品或大型的制品,可提高制品硬度,增加产量,但力学性能如断裂强度及外观不如粒径小的粉体,粒径越小,力学性能越好.但是在实际应用中,由于粒径过小,易产生静电,形成粒子的凝聚结团,效果而反之.   
    填料的选择 CaCO3的粒子一般呈四方体,六方体或不规则的方型结构颗粒状,具有流动性好,白度高,价格低廉,原料来源广泛的优点.滑石粉呈片状结构,比表面积大,吸油值高,流动性差,白度低.滑面粉改性母料与CaCO3母料,因材料结构的不同,不具有可比性,无论是价格还是性能及用途,都有各自的优势和不足,不可相提并论.
    树脂的选择 生产塑料改性母料的合成树脂各项指标要按照塑料制品的要求来确定树 脂品种.改性母料与塑料制品的树脂及牌号如果不匹配,也会产生混合不均匀,塑化不良, 力学性能下降,加工工艺不稳定等原因.所以,在改性母料中选择适当的树脂品种牌号也非常重要,例如DPE,1F7B是改性母料中使用最多,分散效果也非常好的树脂,但在拉伸 强度,冲击强度要求高的制品中缺陷就会凸现.   
    加工助剂的选择 改性母料中除了树脂,无机材料外,塑料助剂虽占比例很小,但它们是不可忽视的质量指标控制的重要因素,由于大部分助剂都是有机低分子化合物,熔点低,流动性好,在塑料加工工艺中具有内外润滑的作用,可明显降低物料与物料,物料与设备的磨擦系数,提高生产效率,改善制品的外观及特性,所以助剂的选择与加入量直接决定着改性母料的质量和应用效果.   
    熔体流动速率的选择 FR是塑料的重要技术指标,也是改性母料的主要指标,由于改性母料受无机粉体,助剂,加工工艺等多种因素的影响,它的数值经常变化不稳定.MFR越小,力学性能越好,但流动性越差,挤出机扭矩大,加工温度要适当提高;MFR越大,性能则反之.改性母料的MFR可用树脂,助剂的变化来进行适当调整.塑料薄膜的MFR在2g/10min最适宜,注塑制品的MFR要高一些,有时可达10-30g/10min.   
    工艺温度的控制 塑料是在一定的温度和压力下,能够熔融流动成型.温度是塑料制品加工中非常重要的工艺条件,也是改性母料的重要工艺控制参数,在塑料制品中添加母料时,温度控制尤为重要.低温挤出是塑料制品分子结构分解影响最小的,高温挤出可提高挤出量,但影响产品质量及物理性能,特别是在改性母料加工和应用时,采用适当的低温工艺条件是非常必要的.塑料制品中在填加5%-10%改性母料时,主机温度可降低5℃左右,这样有利于改性母料中的低分子助剂不分解,少析出.可以保持塑料制品的各项性能达到要求.   
    无机粉体的磨耗比较 在改性母料中的CaCO3,滑石粉,硅灰石,高岭土等无机材料占据了很大的份数,这些材料在普通的塑料加工工艺条件下,不发生变化.由于无机材料的性质决定了对设备磨耗的不同,无机材料硬度越大,设备磨损越严重,CaCO3的硬度为3,高岭土的硬度为7-8,滑石粉的硬度为1.高岭土在塑料制品中应用效果较好,力学性能优异,  
    但由于其硬度大,设备磨损严重,无法在塑料制品中大量添加.又有应用证明,长期使用大量的CaCO3的加工设备,如挤出机的螺杆料筒,磨损比纯树脂要大3-4倍,而滑石粉的硬度小得多,磨损也会明显减少,可与树脂基本相近.   
    改型母料的比重与价格比较 产品的比重(也称密度)是塑料制品的重要价格指标,也是生产厂家与客户非常关注的技术条件.滑石粉和CaCO3 的理论比重为2.7,粉体堆积密度实际上就小的多,生产成母料后的比重又有很大变化.改性母料中树脂的含量比例较少,塑料改性母料中的无机粉体的加入量,粒度,加工工艺的不同,改性母料的比重也有差异.  
    目前,我们的改性母料比重在1.1-1.6g/cm3左右,但它的价格是树脂的1/4-1/6,母料与树脂 相比较,还是有明显的性价比优势.   
    产品分散性 改性母料作为塑料制品的改性材料,在加入不同品种的无机粉体和多种助剂时,改性母料的分散性是非常重要的,又是极易忽视的有诸多因素影响的问题,特别是采用微细,超微细粉体和无机粉体呈片状,针状,棒状的材料时,更易产生静电而出现微细颗粒凝聚,影响分散效果,对产品质量造成损失.   
    由于填充改性母料生产厂家发展迅速,市场出现无序竞争,以不正当的降价行为夺取市场份额,再以降低树脂含量,减少助剂用量或降低助剂质量,使产品不能保证质量,影响整个行业声誉.   
    对塑料填充改性的认识存在误区,有些人员和企业认为填充改性就是往塑料制品中加入大量无机材料,来降低产品成本,降低产品质量,忽视了它的改性功能,忽略了它在塑料中的应用效果.   
    同行业之间互相抵毁,互相残杀,特别是一些成熟的加工工艺和生产技术,还存在着技术保密,互相不沟通交流,使大部分企业难以走出重复生产低档产品的误区. 目前,在国内很多地方,盲目上马者较多,有很多个人或企业看到填充改性母料市场较好,不问究底,盲目上马.新上马的企业没有先进的技术人员和生产工艺,塑料加工技术不熟悉,生产工艺不稳定,生产成本高,产品质量差,在激烈的市场竞争中处境艰难,造成大量的人力,财力浪费,对市场也造成冲击.   
    设备制造厂家与产品生产企业交流甚少,各自为政,各出一辙,致使设备不能与工艺要求,产品质量相吻合.特别是高速混合机,双螺杆挤出机大都是与其他产品能够共用的通用型,有很多设备制造厂家不能够提供满足填充改性母料企业的完整的先进的软生产工艺技术.   
    大专院校,科研单位,先进企业的科研成果不能及时转化为生产力.有的生产企业不愿付出大的代价接纳科研成果,而科研成果更是"皇帝女儿"不忍"屈尊下嫁".媒体报导的技术成果中的关键技术一带而过,主要部分以代号或名词而给以回避.形成填充改性母料技术大都在低水准内徘徊.   
    产品品种单调,产品应用范围较窄,产品性能不尽人意.目前,90%的母料产品主要用于烯烃树脂的填充,高性能,高附加值的产品约占10%左右,在塑料制品中尚有很大的技术发展和市场空间.   
    填充改性母料生产厂家技术力量薄弱,检测设备较少,产品质量控制手段落后,有些厂家不重视新产品开发,没有完善的检测设备和质量控制手段,部分厂家只有简单的检测仪器,靠生产经验和直观方法来控制生产工艺和产品质量.   
    就填充改性母料行业发展前景和目前存在的问题,为此提出以下建议:   
    首先,要进一步提高填充改性母料在塑料加工工业中的地位和作用,填充改性母料生产 厂家要诚信自重,扩大填充改性产品的应用领域和经济效益.   
    再之,要加强大专院校,科研单位,生产企业之间的交流,减少技术壁垒,发扬高尚的品格和优良传统,团结协作,互通有无,为填充改性行业做贡献.中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会2002年3月组织的科技人员,设备厂家,生产企业对全国十几家生产单位的考察交流,取得了令人满意的效果,得到了各界的赞赏.今后,希望在有关单位的支持和配合下,多举办此类活动.   
     第三,加大科技投入,努力开发新产品,拓展应用新领域.塑料的填充改性母料作为塑料制品的新型材料,有关生产单位要拓展市场空间,根据用户要求,舍得投入资金,人力,物力,着重加大科研投入,努力提高产品科技含量,特别是在汽车,家电,装饰材料,办公用品,生活用品,医疗卫生器械及机械零件等方面,寻找新的应用领域,开发新的高附加值产品,尽快走出低档,价廉的重复建设误区.   
    第四,发挥行业协会组织作用,服务企业,加快行业发展.进一步发挥行业组织—中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会的桥梁与纽带作用,组织技术人员,生产厂家举行多种形式交流座谈,考察互访等活动.着重解决行业发展的共性问题和企业存在的热点,难点问题.同时,发挥协会组织的职能作用,尽力干预不正当的经营行为,监督和指导企业诚信经营,纠正不正确认识和违背市场发展规律的不良行为,做好综合协调和分类指导,为行业和企业发展创造良好的环境.   
    5、结束语   
    填充改性是塑料改性增强的重要的核心技术,已形成了科学研究,原辅材料,加工助剂,机械制造等相关行业的庞大的专业化群体,在塑料加工工业中具有一定的规模和影响力.随着全球经济一体化和塑料工业的飞速发展,塑料的填充改性也要适应新的市场发展要求,不断研制开发具有多功能的新产品以满足市场需求,为我国塑料工业的发展做出新的更大的贡献.