pp改性pe蜡最大添加量？
云母的添加量为40%以下，粒径在300目以上；钛酸酯偶联剂用量为云母的30%左右；硅烷偶联剂用量较少，若用丙烯酸表面处理剂时，用量可加大到5-10%。云母的长径比越大，增强效果越好。采用静态混合器、销钉型混炼螺杆、双螺杆挤出机等有助于提高填充效果。
硅灰石的用量在30-40%，粒径采用300-325目，填充后的复合材料拉伸强度降低、缺口冲击强度提高。
其他滑石粉、赤泥、重质碳酸钙等填充PP时，粘度增加较大。随切变速率增加，粘度增大现象逐渐减弱，一般可用表面处理剂如聚乙烯蜡、脂肪酸盐等及采用双螺杆挤出机。
用有机填料木粉、玉米棒芯时，应选择长径比大于15的为好，可改善韧性和负荷畸变度。
低填充时：滑石粉含量10-20%时，PP复合材料可取代ABS或高抗冲聚苯
非金属矿物直接制备高性能材料的关键技术及发展方向
杨华明 邱冠周 王淀佐
（中南大学资源生物学院，湖南 长沙 410083）
摘要 资源、材料一体化的核心是开发矿物资源直接制备高性能材料的共性技术和建立相关的基础理论，并形成矿物材料新型学科体系。矿物资源精加工涉及超微细、高纯化、表面改性和功能化技术。矿物材料在高新材料、环保工程、电子信息、汽车材料等领域获得非常广泛的应用。本文重点分析矿物性能与其应用特性的关系，详细阐述了矿物超微细加工、形态处理、机械化学改性、电磁辐射、表面处理和掺杂复合等功能化加工技术，指出基于矿物特性的功能矿物材料的开发与设计是矿物材料学科体系和产业化的重点发展方向。
关键词 非金属矿；精加工；功能化技术；矿物材料。
第一作者简介：杨华明，博士、中南大学教授、博士生导师。主要研究领域为矿物资源精加工、功能矿物材料和无机非金属材料。电话：，E-mail：hmyang@mail.csu.edu.cn。
一、前言
传统的矿物加工主要是为化工、冶金等工业部门提供合格的矿物原料，而不涉及矿物资源加工成材料。现代高新技术的发展对材料性能提出了更高的要求，而矿物所具有的吸附、交换、催化、助熔、增韧、补强以及光、电、磁、热、声等性能，及其在各种物理、化学场作用下的变化为开发新功能、新用途的矿物材料打下了基础。通过物理和化学加工，将矿物直接制成功能材料，并用改性、掺杂技术赋予相应的功能，以实现资源、材料的一体化，为传统矿物加工行业的技术升级和新型功能材料的制备提供了全新的思路。
矿物材料学科是结晶学、矿物学、矿物加工学、材料科学和化学科学等多学科交叉、融合产生的新的学科生长点，是目前最活跃、最有生命力的新兴边缘学科之一。矿物材料是高技术新材料的重要组成部分，国家发改委出台的《当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南》中涉及材料类的22个领域中，矿物材料占了11个。
研究和应用表明，功能矿物材料具有普通材料无可比拟的可加工性、高性能和实用性，由此形成的一系列新产品、新功能也给矿物加工行业带来了无限生机；与材料学、化学化工、固体物理、机械学、环保、高效农业等多学科知识相结合，并与现代生物技术、纳米技术和信息技术融合，这些内容形成了新的学科方向。国内外在功能矿物材料、超微细粉体制备、矿物材料结构和纳米矿物等高附加值利用的许多方面做了大量的工作，开发的一些产品已投入工业化生产；利用矿物特性并结合现代新技术开发了纳米塑料、纳米橡胶、纳米介孔材料等新型材料，将传统材料提高到一个更高的层次――性能更优良、应用更广泛的水平上；与此同时，对机械化学、机械电化学、超微细加工、界面化学、掺杂改性等过程的理论问题进行了深入的探讨，建立了一系列理论体系，推动了该领域的迅速发展。
二、矿物特性与应用性能
矿物特性的研究、表征，以及对矿物材料性能与基本特性、结构、形成机制之间关系的提示和诠释，是矿物材料研制和开发的基础。矿物的物理化学特性决定了它的用途，现代测试技术的发展，使人们对矿物吸附、交换、助熔、增韧、补强以及光、电、磁、声、核辐射、表面、界面等特性及其在各种物理、化学场作用下的变化研究变得更为直接和富有成效。一些具有吸附、交换、催化、增强、生物相容性等功能的矿物材料，特别是具有感知、响应、预警等信息功能的矿物材料（如湿敏、热敏、压敏、光敏、隐身、抗菌、红外辐射、光电转换等功能）将会受到高度重视和研发应用。在建筑领域，新世纪的建材向更加舒适、安全、节能、保健等多功能的“生态建材”方向发展；在新型建材开发中，某些矿物材料必将在轻质、保温、绝热性能方面扮演十分重要的角色；矿物材料目前也已用于西部土壤固化和沙漠治理。
三、矿物材料的超微细加工
随着科技的发展，需要既能适应高温、高压、高硬度条件，又具有能发光、导电、电磁、吸附等特殊性能的材料。超微细粉体材料的研究开发受到各国重视。英国成立了新型先进材料制造技术中心，研究超微细粉体材料；韩国科学技术研究院提出的科技发展战略及五年发展计划中，也列出了超微细粉体材料；美国20世纪90年代初就把纳米（超微粉）技术列入“政府关键技术”及21世纪初的重要研究方向。
（一）超微细矿物粉体的广泛用途
超微细矿物材料在造纸、油漆、塑料、轻工、冶金等工业中用作填料和功能材料；在涂料、颜料中作阻燃剂；在电子、航空工业尖端等领域中还可作电容器材料、敏感元件材料、超硬材料、超导材料及光、电、磁、波的吸收材料等。无机超微细粉体材料的使用使其价值大幅度提升。
超微细粉体材料或颜料加到油墨或油漆中时，可使色彩艳丽而发光。纳米级白炭黑能赋予橡胶极高的抗张强度、抗撕裂性和耐磨性。超微细Fe2O3磁粉用在录音带或录像带中，信息储存量比普通磁粉高10倍。随着粒径的减小，比表面积增大，材料机械性能、热传导性能比一般材料优异。
（二）超微细矿物粉体的发展动态
1.超微细化
十多年前超微细粉体材料的研究对象是1μm以上的粉体，近年来超微细粉体材料的研究已进展到纳米级。随着颗粒度变小，其本身性能增强，并可使光、电、磁特性兼于一身。表1列出了矿物颗粒加工深度与应用范围的关系。
表1 矿物颗粒加工深度及应用范围
2.高纯化
高纯化是为了排除外来杂质的干扰，实现物质本身的特性。高纯度产品可产生巨大增值，99.998%的ZrO2价格为普通耐火材料用ZrO2价格的300多倍，是电子材料用ZrO2价格的50多倍。高纯重晶石［w（BaSO4）＞99%］已用于制备高性能导电材料，广泛用于导电塑料、导电橡胶和导电涂料等，在航空航天、精密电子、通信技术等领域获得广泛应用。
3.功能化和复合化
功能化和复合化是人们对材料性能追求的结果，也是高新技术发展的需求。如新型毛细管状苯乙烯-二乙烯基本离子交换树脂中Fe2O3构成的磁性材料，在室温下具有极强的磁性，而且有良好的光透明性。由于具有这种特殊功能，其在彩色成像和印刷中得到良好的效果。功能是材料的核心，科技的发展需要各种功能的材料；复合的目的是人为地赋予材料新的功能。例如含有氧化锑的亚微米级氧化锡，不但导电而且透明。
4.精细化
材料的精细化是指粉体性能的精细化，如对其颗粒度、粒度分布、颗粒形状、比表面、孔容、孔径、晶相、导电、磁性、光吸收、光导等一系列性能，对不同粉体有不同的要求。封装SiO2不同的形状，会产生不同的效果。
四、矿物颗粒的形态处理
非金属矿物的颗粒形态处理通常是矿物材料加工的一个重要内容。矿物颗粒形态处理的关键是在粉碎、磨剥解离或松解过程中，要最大限度地保护和展现矿物晶体结构特征。在形态处理的同时也包含矿物精选。颗粒的形态处理与矿物精加工密不可分。
（一）充分发挥矿物材料的颗粒形态特性
颗粒形态对材料性能与质量有明显影响。制造云母增强塑料（聚丙烯PP）时，使用200-HK云母粉（-62μm占45%，径厚比50）与使用同样比例的325-S云母粉（-62μm占84%，径厚比30）相比，其制品抗拉强度提高8%，弯曲强度提高8.75%，比未使用云母增强的聚丙烯（PP）制品强度分别提高34%及43.75%。
用同一种矿物原料生产不同材料时，对矿物颗粒形态的要求也不同。制造石棉水泥制品时要求增强纤维中含有一定量的硬结构纤维，以利于纤维分散及成型脱水过滤，并改善刚度，纤维长径比25～80效果较好。生产石棉纺织制品时则要强调纤维的可纺性，其长径比一般大于1000。矿物颗粒的形态处理方法及功能见表2。
表2 矿物颗粒形态处理的主要方法
（二）促使矿物颗粒充分分散于流体中
使矿物颗粒充分分散到液体或气体中，目的是促进两相流的化学或物理化学反应，或者使矿物材料在液体中形成稳定的分散相。分散及分散相的稳定程度主要决定于矿物的粒径大小、颗粒密度、形状尺寸、摩擦系数、介质黏度、界面电性，以及介质与颗粒材料的亲和能力等。通常制备界面改性材料及化学处理矿物颗粒，要求矿物颗粒有尽可能微小的尺寸；制备稳定的分散相材料，还要求提高或改变材料的表面化学活性及介质亲和能力。
（三）功能矿物材料的成型
细磨或充分松解的矿物材料可以改善它的可塑性，便于使用浇注、挤出、喷射、抄取、模压、胶结、塑性成型等各种手段制取各种成型制品。比表面积的增大可改善不同物质之间的物理化学反应速度和紧密成型能力，同时提高与胶结材料的黏结能力，改善成型性功能矿物材料的加工性、提高综合性能。合理的颗粒级配及纤维长径比的配合，可以提高复合材料中填充增强剂的最大堆砌密度，从而以最经济的配方和最少的黏结剂，取得最好的制品强度与性能。
五、矿物机械化学改性
超细机械作用导致矿物的机械化学变化主要表现在：①形成表面和体相缺陷；②表面结构及化学组成发生变化；③表面电子受力被激发，产生等离子体；④表面键断裂，引起表面能量变化；⑤晶型转变；⑥形成纳米相复合层及非晶态表面。
机械化学改性的最主要原因是：颗粒的不断破裂解离使表面积增大，同时表面能也不断增加，并形成表面非晶态覆盖物。其吸附能力、电荷密度、水溶性、化学反应活性、聚团行为及黏附能力也迅速增加，主要取决于以颗粒物理特性为主导的粗颗粒体积效应，进而变为体积效应与表面效应均占主要地位的又一类材料。
机械化学为材料复合，尤其是金属、非金属的多相组分复合提供了有效的手段。设计表面反应的类型、革新粉体改性技术，可使有机物、无机物及金属微粒等在高能机械外力的作用下，自组合（self-organization）成新颖的纳米相结构层，为粉体材料的改性、设计以及开发先进的无机-有机复合功能材料提供新的途径。
六、矿物材料的外场加工
矿物材料的外场加工包括：超声波改性，电磁波及粒子束辐射改性，微波等离子体、热处理改性等。通过外场作用，诱发矿物晶格产生缺陷，改变矿物的性质和状态，激发矿物及其他反应物的化学活性。特别是在矿物材料的表面改性、化学改性及掺杂与复合中，利用外场可加速这些反应过程。超声波的高频率具有比声波（20 Hz到20 kHz）更大的能量，其主要特点是：波长短，能量易于集中，可形成很大的强度，产生剧烈的振动，并导致很多特殊作用，如液相中的空腔作用等，结果产生机械、热、光、电、化学及生物效应，从而改变矿物的性质和状态。
根据电磁波波长的不同，电磁波可分为γ射线、紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波等。粒子束则主要包括具有一定能量的电子、中子及各种离子束。电磁波及粒子束在矿物加工中得到广泛应用。利用辐射改变矿物性能，如X射线，γ射线可诱发矿物晶格产生缺陷，可激发位于价带的电子进入导带，从而在价带留下空穴；矿物表面的空穴有促进阴离子吸附的作用。照射能产生自由基，并加速矿物在水中或空气中的氧化，从而可显著提高化学活性。辐射对矿物接触角的影响，这些变化在高纯矿物提取、矿物分离和界面效应等方面具有重要的应用。如磷酸盐类的纳米粒子，采用传统的加热方式至少3 h，用微波辐射只需6 min左右即可得到均匀分散的球形微粉。利用微波等离子体反应已制得了约10nm的Fe2O3、TiO2、Al2O3纳米粉体。通过加热的方法也可实现矿物材料化学组成、物理性质等改变。如经过加热处理后高岭土的物理化学性质改变了，主要为白度增高，密度减小，比表面积增大，吸油性、遮盖力和耐磨性提高，绝缘性和热稳定性提高。热处理技术在煤系高岭土的开发利用中占有重要地位，基本上是必须的工艺。
七、矿物材料表面改性
通过物理或化学的方法，对矿物颗粒表面进行处理，可以获得特殊表面性能的矿物材料。矿物材料表面改性主要包括表面金属化镀层，化学反应沉积，表面化学气相沉积（CVD），表面涂覆，润湿与浸渍，改性剂处理等。
矿物材料表面金属化常用的方法包括：烧结渗银法；金属粉末喷涂；真空镀膜法；电镀；化学镀。表面金属化的矿物材料，有比单一矿物材料更好的机械强度与耐磨性，不但耐蚀而且容重轻，导电性好，装饰性好。
化学气相沉积（CVD）是在相当高的温度下，混合气体与基体表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在矿物基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。化学气相沉积包括等离子体辅助化学气相沉积（PACVD）或等离子体强化化学气相沉积（PECVD），以及激光化学气相沉积（LCVD）。气相沉积的化学反应可由于等离子体的产生或由于激光的照射而得以激活。CVD技术主要用于在矿物表面贵金属镀层，矿物基体包括各种难熔的石墨、高岭石、硅灰石等，它们在高温下不易被反应气体侵蚀。一些矿物基体的沉积条件如表3所示。
表3 一些矿物的化学气相沉积沉积条件
在矿物表面覆盖涂层实现矿物材料性质的变化，目的是提高矿物材料的外观装饰性或抗氧化性等，提高其应用性能。如利用金属化合物发生水解反应而在云母表面沉积出金属氧化物颗粒，制成珠光云母。
通过改性剂在矿物颗粒表面的作用，使矿物表面具备与有机基体亲和力强的能力，改善复合材料性能。常用的改性剂有各种偶联剂、表面活性剂、有机硅、聚烯烃低聚合物等。研究表明，改性剂与矿物表面的作用以化学键合为主，氢键作用、物理吸附也有报道。为了解释矿物材料与有机基体之间界面结合的力学形态，提出了可变形理论和约束层理论。改性剂处理主要用来生产在塑料和橡胶中使用的以补强作用为目的的矿物材料。
八、矿物材料的掺杂和复合技术
掺杂复合始终是矿物材料研究中的重要课题，对新材料的研究，主要是关于材料掺杂改性的掺杂剂选择、掺杂方法的实验、合理的掺杂含量确定等实验和理论上的研究。在理论方面，人们往往是应用量子力学理论计算杂质能级、点缺陷形成能和掺杂引起的能带结构的变化，应用量子化学理论计算杂质的键价与材料结构的关系等。
掺杂复合过程不仅仅是单纯的物理、化学过程，还包含晶体结构的变化，涉及固体物理、结构化学、表面化学等诸多学科。矿物颗粒直接或在化学处理过程中通过掺杂（加入掺杂剂）可改变矿物的结构，实现电、磁、光等功能。常用的掺杂方式主要有直接添加、反应（如共沉淀）掺杂、高能辐照掺杂等。复合主要集中在复合材料的制备。
研究重点是掺杂剂的设计、最佳掺杂量的计算和材料应用性能的开发。
九、矿物材料的发展前沿
对材料加工和性能的高要求使矿物材料的发展日新月异，高新技术的渗入和多学科的交叉引发矿物材料物理加工许多新的思路。矿物材料的结构、尺度与物化性能的基础研究，从矿物成分的离子价态、配位、局域、对称、有序度、键性、电子构造、磁性、电荷密度分布，到矿物的原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；从纳米以下、纳米、微米到毫米及更宏观的结构层次，研究矿物材料的物化性能，为矿物材料研究提供基本信息。
矿物材料学是以工业矿物学、工艺矿物学为前驱发展起来的新兴边缘应用学科，目前基本局限于最简单的初级利用和简单的粗加工阶段。随着国民经济的发展，这种状况远远满足不了要求，这预示着要向其纵深方向的发展，必须进行精细加工。受启于新型碳材料的发展，我们认为必须进行原子、分子尺度上的结构工程研究。二次世界大战后，经济飞速发展的一个重要原因就是受益于对具有高附加值的矿物材料深加工研究。所以，矿物材料的研究前沿核心在于以下两个方面：①从矿物材料最本质的结构出发，研究和开发高附加值、超性能的新材料。在矿物结构基础上进行分子、原子工程修饰，改变结构、提高矿物材料的性能，从而创造新材料，提高性价比。②研究矿物晶体结构与材料性能的关系，创造出新型纳米级结构功能材料。从矿物晶体结构上进行的工作已经能够证明这一点，包含、再生和环带结构已经被用来制造微型电容器，内部颗粒导电、外部环不导电就会产生千万个微型电容器微观组合，在功能材料方面得到极好的应用。这主要是从对矿物岩石颗粒晶界、晶粒结构的研究而得到的成果。是否可以从矿物的双晶结构制造出新型功能材料，主要应依据组成双晶的各部分的结构和性能差异来考虑，这个思路将使人们进入极为灵活美妙的视域。需要重点研究的方向主要为：
1）开发能制备均一粒径或窄粒级超微细矿物颗粒的物理加工技术和设备，以满足特殊功能的需要，如用于精密机械抛光、光电材料；
2）开发能保持层状、多孔等特殊矿物结构原状的加工技术，充分发挥材料的功能；
3）矿物材料的复合技术，与聚合物、纳米材料的复合，复合技术的界面研究；
4）矿物的微观结构与应用性能研究；
5）物理加工中掺杂剂、改性剂的结构设计和结构-性能定量关系的研究；
6）纳米层次矿物材料的结构、性能研究和应用开发。
The key technology and development direction of high-performance mineral materials directly prepared from non-metallic mineral resources
Yang Huaming，Qiu Guanzhou，Wang Dianzuo
（School of Resources Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha Hunan 410083，China）
Abstract：The core of unification of resources and materials is to develop the general technologies and set up basic theory for the direct preparation of advanced materials from mineral resources，and to form new discipline system of mineral materials.Fine processing of mineral resources is about the superfine technology，high-grade purification，surface modification and functionalization of the minerals.Mineral materials have been widely used in the fields of high-tech materials，environmental protection，electronic information，motor materials and so on.The paper focuses on the relationship between mineral properties and its application characteristics，introducing the processing technologies for superfine powders，morphology treatment，mechanochemical modification，electromagnetism radiation，surface treatment and doping.The paper also indicates that development and design of functional materials based on the mineral features is the important development direction of mineral material discipline system and industrialization.
Key words：Non-metallic minerals，Deep processing，Functionalization technology，Mineral materials.