高岭土在农用塑料薄膜中的应用

来源：中国粉体工业网

高岭土做为塑料加工时使用的一种添加剂已有很长历史。由于普通高岭土吸附着大量的水份，在塑料加工温度下会汽化，致使塑料基体中出现大小不均的孔洞，影响材料的力学性能。因此通常都是将高岭土煅烧后，去除水分再使用．而不是简单地在lOO~C左右的温度下烘除水分。

　　二十世纪八卜年代后期，我国开始强调农用塑料薄膜(农用棚膜和地膜)的功能化，特别是农用棚膜的功能化，即通过添加各种有机或无机的功能性助剂．提高农用棚膜的耐老化能力，延长使用寿命，提高其保温性，促进农作物生长；改变薄膜表面的极性、抑制雾滴的形成；以及将对农作物有害的紫外光或绿光转变为光合作用可以利用的红橙光等，简称为长寿、高保温、防雾滴和转光四大功能。农膜的功能化为农作物的稳产和高产做出了巨大贡献，尽管功能膜比普通膜的价格要高15％以上，但仍然受广大农民的欢迎，因为总的投入产出比使农民认识到功能膜的价值。

　　由于了解到高岭土具有阻隔红外光的功能．并在军事上有一定的应用。我们于九十年代初进行了高岭土在农膜中做为红外光阻隔剂的研究，并取得预期效果，于1993年在日本东京举行的国际聚合物加工学会学术报告会上公布了研究结果…。研究结果表明：将煅烧高岭土、云母和滑石使用在塑料薄膜中，都有明显的阻隔红外光的作用，有利于提高塑料大棚的保温性．而不含si元素的碳酸钙就不具有这一功能。

　　与此同时，我国煤系高岭土的开发和应用研究工作形成热潮。煤系高岭土是我国的宝贵资源，其加工技术逐渐成熟，在造纸、涂料等领域的应用也很成功。在塑料中使用煤系高岭岩粉碎煅烧后的产品，如山西太原八一填料联合厂、河北省平乡县东风塑料厂、北京华盾塑料包装器材公司、河南省焦作市第一塑料厂等．都取得了可喜的成果。但总的来看，煤系高岭土在塑料工业中的用量还不大，名声也不响，究其原因主要是技术和经济这两方面的因素。我们在开发煤系高岭土的用途并进入塑料工业市场的过程中还需要做几个方面的工作。应当看到农用塑料薄膜是塑料制品的重要品类．现在和将来都将是我国塑料工业的重点发展产品．也是支援农业生产的重要生产资料。我国每年耗用的棚膜达65万吨以上，在第十个“五年计划”中，塑料棚膜的年产量还将大幅度提高，估计可达到一百多万吨．因此，仅农用塑料棚膜就需要使用红外光阻隔剂十万余吨，这无疑为我国煤系高岭土的应用展望出良好的市场前景。

1高岭土红外光阻隔剂的使用原理

　　地球上接受到的来自太阳的光其波长98％集中在0.3—3.0μm范围内,分为紫外光(O.3～0.4μm)、可见光(0.4～0.7μm)和红外光(0.7μm以上)三大部分．其中，白天供农作物进行光合作用的可见光主要是转化为地球上的热能。夜晚从地球表面向大气层散发热量即能量的90％的主要形式是以7～25μm的红外光辐射的．其峰值为11～13μm。用农用塑料薄膜扣成的大棚，主要是使棚内温度远高于棚外，使农作物得以早发芽、早成熟，即使在寒冷的季节里棚内作物也照样能够生长，而普通的不含红外光阻隔剂的聚乙烯薄膜对红外光的阻隔能力很差，不足25％，因此，在白天虽然太阳光能透过棚膜，将能量留在棚内转化成热能，使栅内温度升高；但在夜间，由于棚膜对红外光阻隔性差，大部分热量仍会以辐射形式散失到棚外。为此，只能增加棚膜的厚度，然而这种方法不仅对提高阻隔性很有限，而且受膜的成本的限制也不可无限制地增加。唯一的办法就是，将对红外光有阻隔作用的物质加到塑料薄膜中，使红外光辐射到棚膜上时，不能穿透．而又重新反射回棚内，达到塑料大棚保温的效果。(见图1)

图1塑料大棚内白天和夜间光、

热能辐射强度与波长的关系

2高岭土红外光阻隔剂使用情况

　　德国CONSTAB聚合物化学公司，是一家专门从事在农用塑料薄膜中使用的功能性助剂与母料研究和生产的企业。他们以中国出产的粘土为原料，制成商品牌号为Constab IR 0404 Id的红外光阻隔功能性母料，在聚乙烯塑料薄膜中添加7％这种母料，可使7～14μm范围内的红外光透过率减少至25％以下。(见图2)

　　河北省平乡县东风塑料厂用山西太原产煅烧煤系高岭土，先制成母料，再与聚乙烯塑料按一定比例混合吹塑成膜。此种煅烧高岭土是以煤系高岭土为原料．经隔焰煅烧工艺制成，白度高（>92％)，各种金属氧化物含量低且化学组成稳定，有利于在农膜中使用。所使用的煅烧高岭土的粒径98％在5μm以下，其中2μm以下的占70％。

　　煅烧煤系高岭土添加到聚乙烯塑料中后，填充体系的力学性能优于同等条件下的滑石粉或碳酸钙填充体系。(见表I]

图2加入红外光阻隔母料的PE薄膜与

纯PE膜对红外光阻隔作用的对比

　　注：填料在塑料薄膜中的重量份数为5％ 通过扣棚实验表明，相对于滑石粉和碳酸钙填充的农膜，用高岭土填充的农膜透光性好，棚内保温效果好，有利于农作物增产。

　　山西太原富达填料厂生产的超细煅烧煤系高岭土．是先将黑砂石用雷蒙磨粉碎至400目，经沸腾炉脱水、除碳、煅烧，再加水制成泥浆并研磨，经沉淀和烘干而制得，粒径<5μm的占92.9％。此产品参加了由中国农用塑料应用技术学会农用塑料制品分会于1998年进行的六种无机保温剂添加的聚乙烯塑料吹塑薄膜应用试验，表2是该厂提供的两种用不同产地原料煅烧的高岭土填充的聚乙烯薄膜的力学性能和光学性能…。

　　表2两种煅烧高岭土填充聚乙烯薄膜的力学、光学性能 纯聚乙烯薄膜(厚度0.08～0.1mm)对7～25μm波长范围的红外光透过率为70％～80％，通过添加红外光阻隔剂，可使红外光透过率减少到50％以下，德国CONSTAB聚合物一化学有限公司可将红外光透过率减至25％以下；北京市塑料研究所研制的O.05mm厚的由无机填料填充的聚乙烯薄膜，可将7～11μm波长范围的红外光透过率减至36％；河南省焦作市第一塑料厂生产的0.05mm厚的无机填料填充的聚乙烯薄膜，可将7—14μm波长范围的红外光透过率减至39％。这些数字，基本上代表了我国目前使用无机填料填充的具有阻隔红外光功能的高保温型农用塑料薄膜的技术水平3煅烧煤系高岭土红外光阻隔剂的推广使用。

　　从研究结果看，煅烧高岭土对红外光的阻隔作用效果是好的．也是令人鼓舞的，而且，在使用中发现，高岭土在薄膜中还起着散射光线和吸附防雾滴剂的作用．前者可以减轻光线直射穿过棚膜造成棚内光线强度不均的现象，后者可遏止防雾滴剂过度润滑，有利于功能母料的混炼加工。但从十余年的发展历程看，这种推广应用还不像预期的那样快，总的用量和使用还不尽人意，其原因需要加以认真探讨。

3．1价格问题

　　目前，能够做为红外光阻隔剂使用的无机填料除煅烧高岭土外，还有云母粉、滑石粉、绢云母粉等。煅烧高岭土的价格适当下降，这种阻隔性能仅次于云母粉的无机填料，占据无机保温剂的大部分市场份额还是完全有可能的。

3．2填充聚乙烯薄膜的力学性能与光学性能

　　填充聚乙烯薄膜的力学性能除与基料的种类和性能有关外，主要取决于填料本身的特点和填料与树脂基体两相结合的好坏。

从得到的研究结果看，使用1250目的煅烧高岭土．只要方法得当，当在聚乙烯薄膜中填充量达5％时，薄膜力学性能能达到国家农膜标准的要求，但从最佳技术经济效益出发，填充量应达到10％以上才更理想。

　　提高塑料薄膜的保温性是添加煅烧高岭土的目的．但这种效果不应以牺牲薄膜的其它光学性能为代价。所做的研究工作表明，加有10％煅烧高岭土的聚乙烯薄膜．可见光透过率为58％，比基体聚乙烯薄膜低约89％…．这意味着白天照射在棚膜上的阳光进入棚内的部分有可能减少．但有的研究工作认为，加入煅烧高岭土等无机填料，可以大幅度提高薄膜散射光透过率。太阳总辐射的能量分为直接辐射和散射辐射两部分，直接辐射中红_橙光较多，散射辐射中蓝一紫光较多．而在早晨或傍晚，散射辐射的比例相对增大，直接辐射比例相对减小，这对于具有漫散辐射特性的填充聚乙烯薄膜，恰好可增加散射光的透过率，从而，在早晨和傍晚、或阴雨天气，可提高塑料大棚中光的照度，有利于农作物光合作用…。此外，在阳光直射塑料大棚时，由于薄膜中填料颗粒的存在，聚乙烯薄膜的雾度增大．使直射光发生折射和反射，到达棚内时光线的方向发生变化．成为散射光，使棚内不同位置的农作物得到更多的光照。据中国农科院农田实际测试．用普通聚乙烯棚膜，棚内过渡区和边缘区比中央区分别减产10％和14％，而使用具有漫散辐射特性的聚乙烯棚膜，棚内过度区与中央区的农作物产量基本相同．边缘区农作物的减产量也有所缩小。

　　这些研究工作取得了较好的结果，对推广使用煅烧高岭土很有利，但数据欠单薄且缺乏系统性，应当继续做工作。

3．3煅烧高岭土的表面处理与母料

　　从薄膜的力学性能和透光性考虑，对煅烧高岭士的粒度要求是越细越好。前面一些研究工作中所用的煅烧高岭土粒径基本上为10μm以下的，也就是1250目的，再细也就是粒径为5μm以下的所占比例多少的区别。既使是这样的细度，也面临着如何进行表面处理和防止粒子二次凝聚的问题。

　　由已进行的研究工作提供的数据可知．煅烧高岭土的比表面积为7～9M2，呈片状．且极易吸潮，因此．必须要及时进行相应的表面处理，最好是在生产厂家进行脱水、粉碎、烘干时进行，否则到塑料母料生产企业后再进行烘干去除水份，无疑会增加能耗，其表面处理的效果也不会很理想。目前多使用高速混合机对无机填料进行表面处理，而在高速旋转的搅拌桨作用下，物料相互碰撞、摩擦，极易产生静电，更易使填料颗粒凝聚。

　　一旦发生粒子凝聚，在后序的母料混炼加工设备和薄膜吹塑设备中就很难再被打开，这样就会影响填料的均匀分散。此外．用煅烧高岭土制做保温母料时，物料中煅烧高岭土重量比超过50％时，必须提高加工助剂用量(较生产碳酸钙填充母料时)，否则会产生混炼挤出机螺杆扭矩急剧增大，甚至出现“抱死”的现象；由于另一种功能助剂一防雾滴剂的熔点低，在母料加工温度下会使物料与螺杆问出现过度润滑现象，若将两种功能性的助剂放在一起生产，即产生防雾滴—保温双功能母料．既可相互弥补缺陷，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线在内的阳光的照射，如果不采取防老化措施．很快会出现降解现象．强度下降，在风、雨等外力作用下被撕裂而失去温室覆盖材料的功能。通常不加入防老化助剂的塑料大棚膜，使用寿命仅几个月，即一个生长季，这既不利于生产又加重了农民的负担。在农膜发展过程中，功能性农膜的出现首先是指薄膜的耐老化功能被加强了，即长寿薄膜。现在只要添加适当的防老化助剂．薄膜的使用寿命即可延长至2～3年。

　　无机填料的加入不仅会使薄膜的强度下降(虽然能在一定添加范围内使薄膜力学性能达到国标要求)，而且有可能使塑料薄膜的耐老化能力下降，造成棚膜使用寿命缩短。故在使用煅烧高岭土做棚膜保温剂以提高棚膜的保温效果时，切不可因加入煅烧高岭土影响到薄膜的使用寿命。根据填充煅烧高岭士的聚乙烯薄膜在北京郊区两个地点的试验情况看，扣棚半年(分别为1月至7月和2月至8月)后，薄膜的拉伸强度、断裂伸长率两项性能的保持率都在90％以上，有的甚至接近l00％。这说明煅烧高岭土对薄膜的耐老化性能影响不大，起码是在使用初期没有给薄膜的耐老化性带来不利的影响。

　　这方面的工作还应继续进行，观察在薄膜使用过程中，无机填料对耐老化性有无不利影响，并且和不加保温剂的棚膜进行平行对照比较，以便得到肯定的结论。

3．5母料对薄膜加工设备的磨损

　　填料的使用无疑会造成和物料接触的加工设备的金属部件的表面磨损，这些部件包括螺杆、螺筒、机头、模具等。设备和模具被磨损后会造成挤出量下降，生产效率降低，塑料制品的尺寸不符合设计要求等问题。无机填料对金属材料的磨损程度主要取决于填料的种类、几何形状和硬度(在金属材料一定时)，无机填料中滑石的莫氏硬度最低，为1.O，方解石为3.0，硅灰石为5—5.5，石英为7.0 。在设计和制造塑料加工机械及模具时，主要考虑不加填料的高分子化台物对金属材料的磨损问题，正规的塑料加工机械厂都使用氮化钢，即38CrMOAl合金钢经表面氮化处理而成，其表面维氏硬度在800以上，约相当于6.5左右的莫氏硬度。

　　对于两种相对研磨的材料，其磨损强度与二者硬度差有关，一般认为：

　　金属硬度高于1.25倍的磨料硬度时，属于低磨损强度：

　　金属硬度为0.8～1.25倍的磨料硬度时，属于中磨损强度；

　　金属硬度低于O.8的磨料硬度时，属于高磨损强度。

　　使用重质碳酸钙做塑料的填料，由于其维氏硬度在140左右，远远低于氮化钢表面硬度，因此对加工机械设备和模具造成的磨损比较轻，挤出机使用几年后才会造成螺杆和螺筒之问间隙加大，挤出效率下降；而软质高岭土，一 般认为莫氏硬度为2，低于碳酸钙不会产生严重磨损的问题，但煅烧高岭土就不然了．在不同煅烧温度下，高岭石加热相变相当复杂，600～1000c中温煅烧时，产物为硅铝尖晶石相，1200℃以上高温煅烧时，产物为莫来石、方英石相。在不同晶相的产物中有的硬度非常高，使用这种煅烧高岭土可能会给所接触的加工机械设备和机头、模具的金属部件表面带来严重磨损。

3．6煅烧高岭土的产品标准

　　目前，塑料加工企业从非矿企业得到的产品统称为高岭土，由于行业的局限性，塑料加工企业的人员并不了解高岭土的规格、性能，以为和碳酸钙、滑石粉一样，只要知道其粒度大小和白度高低就行了。实际上，做为一种功能性助剂，煅烧高岭土必须要有自己的产品标准．一方面可以充分地发挥高岭土在塑料中应当发挥的作用，另一方面也可使生产者和使用者都能掌握产品的特点与检验方法。这个产品标准至少应当包括下面几个方面：

　　 A煅烧温度、红外光阻隔率、晶相特征，

　　B粒度及其分布；

　　c白度；

　　D硬度：

　　E比表面积：

　　F吸油值；

　　G化学组成及杂质含量，特别是铁、铜、锰等。

　　需要说明的是塑料中使用的煅烧高岭土，其性能指标与造纸和涂料中使用的产品有很大区别。我们不要求双90，但要求最大粒径不超过10μm，白度也希望尽可能高一些，最好高于90％。

4结语

　　我国高岭土资源丰富．已探明的储量为30亿吨．其中煤系高岭土占55％，而且是独具我国特色的宝贵资源，将其很好地开发利用是非矿行业包括塑料行业在内的共同的任务．但是做为一个新的应用领域，不仅非矿行业对此不甚清楚，塑料行业众多从业人员也不清楚，尽管已经进行了一些研究工作，但仍然显得单薄和零散，不足做为大规模推广应用的依据。近几年，非矿行业的许多企业在煤系高岭土的加工方面做了大量工作，并且在造纸、涂料、日化、建材等领域中的应用也取得显著进展。就塑料行业来讲，煤系高岭上在农用塑料薄膜中的应用已取得肯定的成果，我们希望在此基础上，组织力量就上而所讲的几个方面的问题进行深入的、全面的探讨和研究。给出系统的、权威的数据与结论，为我们在塑料行业中进行全面地宣传奠定坚实的、科学的基础。

　　应用开发研究工作和煅烧工艺设备的研究工作同样重要。非矿行业不仅应拿出质优价廉的产品．而且还应指导用户如何合理地使用好自己的产品，另方面我们电希望非矿行业在研究煅烧煤系高岭土工艺和设备方面取得成功之后拿出一部分力量进行深加工．深入到塑料加工领域中来，将煅烧高岭土进一步做成功能母料．不仅可以为塑料行业提供更好的产品．而且也可以增加产品的科技含量，提高其附加值。

　　现在，纳米材料和纳米技术正在兴起．将蒙脱土做为纳米塑料的基本原料已在中国科学院化学研究所取得成功，纳米尼龙塑料、纳米聚酯塑料、纳米超高分子量聚乙烯塑料已经问世并得到实际应用。如果能将煤系高岭土向纳米材料方面推进，相信会取得更加辉煌的成就。