高嶺土在農用塑料薄膜中的應用
來源：中國粉體工業網
高嶺土做為塑料加工時使用的一種添加劑已有很長歷史。由于普通高嶺土吸附著大量的水份，在塑料加工溫度下會汽化，致使塑料基體中出現大小不均的孔洞，影響材料的力學性能。因此通常都是將高嶺土煅燒后，去除水分再使用．而不是簡單地在lOO~C左右的溫度下烘除水分。
二十世紀八卜年代后期，我國開始強調農用塑料薄膜(農用棚膜和地膜)的功能化，特別是農用棚膜的功能化，即通過添加各種有機或無機的功能性助劑．提高農用棚膜的耐老化能力，延長使用壽命，提高其保溫性，促進農作物生長；改變薄膜表面的極性、抑制霧滴的形成；以及將對農作物有害的紫外光或綠光轉變為光合作用可以利用的紅橙光等，簡稱為長壽、高保溫、防霧滴和轉光四大功能。農膜的功能化為農作物的穩產和高產做出了巨大貢獻，盡管功能膜比普通膜的價格要高15％以上，但仍然受廣大農民的歡迎，因為總的投入產出比使農民認識到功能膜的價值。
由于了解到高嶺土具有阻隔紅外光的功能．并在軍事上有一定的應用。我們于九十年代初進行了高嶺土在農膜中做為紅外光阻隔劑的研究，并取得預期效果，于1993年在日本東京舉行的國際聚合物加工學會學術報告會上公布了研究結果…。研究結果表明：將煅燒高嶺土、云母和滑石使用在塑料薄膜中，都有明顯的阻隔紅外光的作用，有利于提高塑料大棚的保溫性．而不含si元素的碳酸鈣就不具有這一功能。
與此同時，我國煤系高嶺土的開發和應用研究工作形成熱潮。煤系高嶺土是我國的寶貴資源，其加工技術逐漸成熟，在造紙、涂料等領域的應用也很成功。在塑料中使用煤系高嶺巖粉碎煅燒后的產品，如山西太原八一填料聯合廠、河北省平鄉縣東風塑料廠、北京華盾塑料包裝器材公司、河南省焦作市第一塑料廠等．都取得了可喜的成果。但總的來看，煤系高嶺土在塑料工業中的用量還不大，名聲也不響，究其原因主要是技術和經濟這兩方面的因素。我們在開發煤系高嶺土的用途并進入塑料工業市場的過程中還需要做幾個方面的工作。應當看到農用塑料薄膜是塑料制品的重要品類．現在和將來都將是我國塑料工業的重點發展產品．也是支援農業生產的重要生產資料。我國每年耗用的棚膜達65萬噸以上，在第十個“五年計劃”中，塑料棚膜的年產量還將大幅度提高，估計可達到一百多萬噸．因此，僅農用塑料棚膜就需要使用紅外光阻隔劑十萬余噸，這無疑為我國煤系高嶺土的應用展望出良好的市場前景。
1高嶺土紅外光阻隔劑的使用原理
地球上接受到的來自太陽的光其波長98％集中在0.3—3.0μm范圍內,分為紫外光(O.3～0.4μm)、可見光(0.4～0.7μm)和紅外光(0.7μm以上)三大部分．其中，白天供農作物進行光合作用的可見光主要是轉化為地球上的熱能。夜晚從地球表面向大氣層散發熱量即能量的90％的主要形式是以7～25μm的紅外光輻射的．其峰值為11～13μm。用農用塑料薄膜扣成的大棚，主要是使棚內溫度遠高于棚外，使農作物得以早發芽、早成熟，即使在寒冷的季節里棚內作物也照樣能夠生長，而普通的不含紅外光阻隔劑的聚乙烯薄膜對紅外光的阻隔能力很差，不足25％，因此，在白天雖然太陽光能透過棚膜，將能量留在棚內轉化成熱能，使柵內溫度升高；但在夜間，由于棚膜對紅外光阻隔性差，大部分熱量仍會以輻射形式散失到棚外。為此，只能增加棚膜的厚度，然而這種方法不僅對提高阻隔性很有限，而且受膜的成本的限制也不可無限制地增加。唯一的辦法就是，將對紅外光有阻隔作用的物質加到塑料薄膜中，使紅外光輻射到棚膜上時，不能穿透．而又重新反射回棚內，達到塑料大棚保溫的效果。(見圖1)
圖1塑料大棚內白天和夜間光、
熱能輻射強度與波長的關系
2高嶺土紅外光阻隔劑使用情況
德國CONSTAB聚合物化學公司，是一家專門從事在農用塑料薄膜中使用的功能性助劑與母料研究和生產的企業。他們以中國出產的粘土為原料，制成商品牌號為Constab IR 0404 Id的紅外光阻隔功能性母料，在聚乙烯塑料薄膜中添加7％這種母料，可使7～14μm范圍內的紅外光透過率減少至25％以下。(見圖2)
河北省平鄉縣東風塑料廠用山西太原產煅燒煤系高嶺土，先制成母料，再與聚乙烯塑料按一定比例混合吹塑成膜。此種煅燒高嶺土是以煤系高嶺土為原料．經隔焰煅燒工藝制成，白度高（>92％)，各種金屬氧化物含量低且化學組成穩定，有利于在農膜中使用。所使用的煅燒高嶺土的粒徑98％在5μm以下，其中2μm以下的占70％。
煅燒煤系高嶺土添加到聚乙烯塑料中后，填充體系的力學性能優于同等條件下的滑石粉或碳酸鈣填充體系。(見表I]
圖2加入紅外光阻隔母料的PE薄膜與
純PE膜對紅外光阻隔作用的對比
注：填料在塑料薄膜中的重量份數為5％ 通過扣棚實驗表明，相對于滑石粉和碳酸鈣填充的農膜，用高嶺土填充的農膜透光性好，棚內保溫效果好，有利于農作物增產。
山西太原富達填料廠生產的超細煅燒煤系高嶺土．是先將黑砂石用雷蒙磨粉碎至400目，經沸騰爐脫水、除碳、煅燒，再加水制成泥漿并研磨，經沉淀和烘干而制得，粒徑<5μm的占92.9％。此產品參加了由中國農用塑料應用技術學會農用塑料制品分會于1998年進行的六種無機保溫劑添加的聚乙烯塑料吹塑薄膜應用試驗，表2是該廠提供的兩種用不同產地原料煅燒的高嶺土填充的聚乙烯薄膜的力學性能和光學性能…。
表2兩種煅燒高嶺土填充聚乙烯薄膜的力學、光學性能 純聚乙烯薄膜(厚度0.08～0.1mm)對7～25μm波長范圍的紅外光透過率為70％～80％，通過添加紅外光阻隔劑，可使紅外光透過率減少到50％以下，德國CONSTAB聚合物一化學有限公司可將紅外光透過率減至25％以下；北京市塑料研究所研制的O.05mm厚的由無機填料填充的聚乙烯薄膜，可將7～11μm波長范圍的紅外光透過率減至36％；河南省焦作市第一塑料廠生產的0.05mm厚的無機填料填充的聚乙烯薄膜，可將7—14μm波長范圍的紅外光透過率減至39％。這些數字，基本上代表了我國目前使用無機填料填充的具有阻隔紅外光功能的高保溫型農用塑料薄膜的技術水平3煅燒煤系高嶺土紅外光阻隔劑的推廣使用。
從研究結果看，煅燒高嶺土對紅外光的阻隔作用效果是好的．也是令人鼓舞的，而且，在使用中發現，高嶺土在薄膜中還起著散射光線和吸附防霧滴劑的作用．前者可以減輕光線直射穿過棚膜造成棚內光線強度不均的現象，后者可遏止防霧滴劑過度潤滑，有利于功能母料的混煉加工。但從十余年的發展歷程看，這種推廣應用還不像預期的那樣快，總的用量和使用還不盡人意，其原因需要加以認真探討。
3．1價格問題
目前，能夠做為紅外光阻隔劑使用的無機填料除煅燒高嶺土外，還有云母粉、滑石粉、絹云母粉等。煅燒高嶺土的價格適當下降，這種阻隔性能僅次于云母粉的無機填料，占據無機保溫劑的大部分市場份額還是完全有可能的。
3．2填充聚乙烯薄膜的力學性能與光學性能
填充聚乙烯薄膜的力學性能除與基料的種類和性能有關外，主要取決于填料本身的特點和填料與樹脂基體兩相結合的好壞。
從得到的研究結果看，使用1250目的煅燒高嶺土．只要方法得當，當在聚乙烯薄膜中填充量達5％時，薄膜力學性能能達到國家農膜標準的要求，但從最佳技術經濟效益出發，填充量應達到10％以上才更理想。
提高塑料薄膜的保溫性是添加煅燒高嶺土的目的．但這種效果不應以犧牲薄膜的其它光學性能為代價。所做的研究工作表明，加有10％煅燒高嶺土的聚乙烯薄膜．可見光透過率為58％，比基體聚乙烯薄膜低約89％…．這意味著白天照射在棚膜上的陽光進入棚內的部分有可能減少．但有的研究工作認為，加入煅燒高嶺土等無機填料，可以大幅度提高薄膜散射光透過率。太陽總輻射的能量分為直接輻射和散射輻射兩部分，直接輻射中紅_橙光較多，散射輻射中藍一紫光較多．而在早晨或傍晚，散射輻射的比例相對增大，直接輻射比例相對減小，這對于具有漫散輻射特性的填充聚乙烯薄膜，恰好可增加散射光的透過率，從而，在早晨和傍晚、或陰雨天氣，可提高塑料大棚中光的照度，有利于農作物光合作用…。此外，在陽光直射塑料大棚時，由于薄膜中填料顆粒的存在，聚乙烯薄膜的霧度增大．使直射光發生折射和反射，到達棚內時光線的方向發生變化．成為散射光，使棚內不同位置的農作物得到更多的光照。據中國農科院農田實際測試．用普通聚乙烯棚膜，棚內過渡區和邊緣區比中央區分別減產10％和14％，而使用具有漫散輻射特性的聚乙烯棚膜，棚內過度區與中央區的農作物產量基本相同．邊緣區農作物的減產量也有所縮小。
這些研究工作取得了較好的結果，對推廣使用煅燒高嶺土很有利，但數據欠單薄且缺乏系統性，應當繼續做工作。
3．3煅燒高嶺土的表面處理與母料
從薄膜的力學性能和透光性考慮，對煅燒高嶺士的粒度要求是越細越好。前面一些研究工作中所用的煅燒高嶺土粒徑基本上為10μm以下的，也就是1250目的，再細也就是粒徑為5μm以下的所占比例多少的區別。既使是這樣的細度，也面臨著如何進行表面處理和防止粒子二次凝聚的問題。
由已進行的研究工作提供的數據可知．煅燒高嶺土的比表面積為7～9M2，呈片狀．且極易吸潮，因此．必須要及時進行相應的表面處理，最好是在生產廠家進行脫水、粉碎、烘干時進行，否則到塑料母料生產企業后再進行烘干去除水份，無疑會增加能耗，其表面處理的效果也不會很理想。目前多使用高速混合機對無機填料進行表面處理，而在高速旋轉的攪拌槳作用下，物料相互碰撞、摩擦，極易產生靜電，更易使填料顆粒凝聚。
一旦發生粒子凝聚，在后序的母料混煉加工設備和薄膜吹塑設備中就很難再被打開，這樣就會影響填料的均勻分散。此外．用煅燒高嶺土制做保溫母料時，物料中煅燒高嶺土重量比超過50％時，必須提高加工助劑用量(較生產碳酸鈣填充母料時)，否則會產生混煉擠出機螺桿扭矩急劇增大，甚至出現“抱死”的現象；由于另一種功能助劑一防霧滴劑的熔點低，在母料加工溫度下會使物料與螺桿問出現過度潤滑現象，若將兩種功能性的助劑放在一起生產，即產生防霧滴—保溫雙功能母料．既可相互彌補缺陷，又有利于母料的加工。
3．4填充聚乙烯薄膜的耐老化
聚乙烯薄膜用于塑料大棚，在大自然中棚膜直接受包括紫外線在內的陽光的照射，如果不采取防老化措施．很快會出現降解現象．強度下降，在風、雨等外力作用下被撕裂而失去溫室覆蓋材料的功能。通常不加入防老化助劑的塑料大棚膜，使用壽命僅幾個月，即一個生長季，這既不利于生產又加重了農民的負擔。在農膜發展過程中，功能性農膜的出現首先是指薄膜的耐老化功能被加強了，即長壽薄膜。現在只要添加適當的防老化助劑．薄膜的使用壽命即可延長至2～3年。
無機填料的加入不僅會使薄膜的強度下降(雖然能在一定添加范圍內使薄膜力學性能達到國標要求)，而且有可能使塑料薄膜的耐老化能力下降，造成棚膜使用壽命縮短。故在使用煅燒高嶺土做棚膜保溫劑以提高棚膜的保溫效果時，切不可因加入煅燒高嶺土影響到薄膜的使用壽命。根據填充煅燒高嶺士的聚乙烯薄膜在北京郊區兩個地點的試驗情況看，扣棚半年(分別為1月至7月和2月至8月)后，薄膜的拉伸強度、斷裂伸長率兩項性能的保持率都在90％以上，有的甚至接近l00％。這說明煅燒高嶺土對薄膜的耐老化性能影響不大，起碼是在使用初期沒有給薄膜的耐老化性帶來不利的影響。
這方面的工作還應繼續進行，觀察在薄膜使用過程中，無機填料對耐老化性有無不利影響，并且和不加保溫劑的棚膜進行平行對照比較，以便得到肯定的結論。
3．5母料對薄膜加工設備的磨損
填料的使用無疑會造成和物料接觸的加工設備的金屬部件的表面磨損，這些部件包括螺桿、螺筒、機頭、模具等。設備和模具被磨損后會造成擠出量下降，生產效率降低，塑料制品的尺寸不符合設計要求等問題。無機填料對金屬材料的磨損程度主要取決于填料的種類、幾何形狀和硬度(在金屬材料一定時)，無機填料中滑石的莫氏硬度最低，為1.O，方解石為3.0，硅灰石為5—5.5，石英為7.0 。在設計和制造塑料加工機械及模具時，主要考慮不加填料的高分子化臺物對金屬材料的磨損問題，正規的塑料加工機械廠都使用氮化鋼，即38CrMOAl合金鋼經表面氮化處理而成，其表面維氏硬度在800以上，約相當于6.5左右的莫氏硬度。
對于兩種相對研磨的材料，其磨損強度與二者硬度差有關，一般認為：
金屬硬度高于1.25倍的磨料硬度時，屬于低磨損強度：
金屬硬度為0.8～1.25倍的磨料硬度時，屬于中磨損強度；
金屬硬度低于O.8的磨料硬度時，屬于高磨損強度。
使用重質碳酸鈣做塑料的填料，由于其維氏硬度在140左右，遠遠低于氮化鋼表面硬度，因此對加工機械設備和模具造成的磨損比較輕，擠出機使用幾年后才會造成螺桿和螺筒之問間隙加大，擠出效率下降；而軟質高嶺土，一 般認為莫氏硬度為2，低于碳酸鈣不會產生嚴重磨損的問題，但煅燒高嶺土就不然了．在不同煅燒溫度下，高嶺石加熱相變相當復雜，600～1000c中溫煅燒時，產物為硅鋁尖晶石相，1200℃以上高溫煅燒時，產物為莫來石、方英石相。在不同晶相的產物中有的硬度非常高，使用這種煅燒高嶺土可能會給所接觸的加工機械設備和機頭、模具的金屬部件表面帶來嚴重磨損。
3．6煅燒高嶺土的產品標準
目前，塑料加工企業從非礦企業得到的產品統稱為高嶺土，由于行業的局限性，塑料加工企業的人員并不了解高嶺土的規格、性能，以為和碳酸鈣、滑石粉一樣，只要知道其粒度大小和白度高低就行了。實際上，做為一種功能性助劑，煅燒高嶺土必須要有自己的產品標準．一方面可以充分地發揮高嶺土在塑料中應當發揮的作用，另一方面也可使生產者和使用者都能掌握產品的特點與檢驗方法。這個產品標準至少應當包括下面幾個方面：
A煅燒溫度、紅外光阻隔率、晶相特征，
B粒度及其分布；
c白度；
D硬度：
E比表面積：
F吸油值；
G化學組成及雜質含量，特別是鐵、銅、錳等。
需要說明的是塑料中使用的煅燒高嶺土，其性能指標與造紙和涂料中使用的產品有很大區別。我們不要求雙90，但要求最大粒徑不超過10μm，白度也希望盡可能高一些，最好高于90％。
4結語
我國高嶺土資源豐富．已探明的儲量為30億噸．其中煤系高嶺土占55％，而且是獨具我國特色的寶貴資源，將其很好地開發利用是非礦行業包括塑料行業在內的共同的任務．但是做為一個新的應用領域，不僅非礦行業對此不甚清楚，塑料行業眾多從業人員也不清楚，盡管已經進行了一些研究工作，但仍然顯得單薄和零散，不足做為大規模推廣應用的依據。近幾年，非礦行業的許多企業在煤系高嶺土的加工方面做了大量工作，并且在造紙、涂料、日化、建材等領域中的應用也取得顯著進展。就塑料行業來講，煤系高嶺上在農用塑料薄膜中的應用已取得肯定的成果，我們希望在此基礎上，組織力量就上而所講的幾個方面的問題進行深入的、全面的探討和研究。給出系統的、權威的數據與結論，為我們在塑料行業中進行全面地宣傳奠定堅實的、科學的基礎。
應用開發研究工作和煅燒工藝設備的研究工作同樣重要。非礦行業不僅應拿出質優價廉的產品．而且還應指導用戶如何合理地使用好自己的產品，另方面我們電希望非礦行業在研究煅燒煤系高嶺土工藝和設備方面取得成功之后拿出一部分力量進行深加工．深入到塑料加工領域中來，將煅燒高嶺土進一步做成功能母料．不僅可以為塑料行業提供更好的產品．而且也可以增加產品的科技含量，提高其附加值。
現在，納米材料和納米技術正在興起．將蒙脫土做為納米塑料的基本原料已在中國科學院化學研究所取得成功，納米尼龍塑料、納米聚酯塑料、納米超高分子量聚乙烯塑料已經問世并得到實際應用。如果能將煤系高嶺土向納米材料方面推進，相信會取得更加輝煌的成就。
