矿物填料驱动改性塑料创新：更轻、更强、更绿

功能性填料在塑料中的添加量较高，从约 5%到 70% 以上不等，其作用兼具了赋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类型材料，有些填料专门用于提供阻燃功能，如氧化锑 (ATO)、二氢氧化镁 (MDH) 和三水铝 (ATH)。目前，ATO 在供应链方面非常不稳定，配方工程师们正在努力寻找和验证它的替代品。除阻燃性外，增强性填料还具有其它功能特性，包括刚度和尺寸稳定性。

 

在过去，功能性填料替代聚合物基体多出于降成本考量，而现今该举措更被赋予可持续性内涵——特定情境下可直接降低碳足迹。填料可包括植物基材料、矿物质或合成矿物质，或玻璃微珠等其它材料。

 

塑料改性材料的轻量化仍然是矿物填料使用的一个重要趋势

Magris 滑石粉公司全球业务开发总监 John Poulakis 说，矿物技术与改性工艺的发展使用户能够最大限度地提高填料含量，从而降低改性成本并改善性能。Poulakis 解释说，该公司专有的气流粉碎工艺可生产出保持片层性的宏晶和微晶滑石细颗粒。

 

图 1：Magris 称其 Hyperplate 高长径比宏晶滑石粉采用专有的湿磨分层工艺生产（图片来源：Magris）

此外，该公司的 Hyperplate 高长径比宏晶滑石粉是采用专利湿磨分层工艺生产的（图1）。与长径比为 30-35 的传统滑石粉相比，100-150 的高长径比在应用中提高了产品刚度和尺寸稳定性，例如用于汽车外饰材料热塑性烯烃等。这些特种滑石粉还能提高阻燃性能，可部分替代其它阻燃剂，如 EVA材料中的 MDH 或 ATH 或 PA66 中的膨胀型阻燃剂。

Poulakis 补充说，塑料改性材料的轻量化仍然是矿物填料使用的一个重要趋势，尤其是在电动汽车（EV）部件中。例如，提高机械性能的滑石粉可以让零件的尺寸做得更小，或以较小的滑石粉添加量提供同等性能。

化学或物理发泡工艺同样适用于多领域轻量化应用。据Poulakis报告，Magris Talc公司经表面处理的微片层状MistroFoam滑石粉作为成核剂用在乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）鞋中底配方中，相较广泛应用的二氧化硅基添加剂可形成更均匀的泡孔结构。

 

回收滑石粉

Magris 滑石粉公司新推出了100% 工业后回收滑石粉牌号，矿山废料经加工转化为高纯度成品滑石粉，达到优级品标准。JetFil M 系列以及部分其它牌号已通过 UL Environment（ULE）的消费前（工业后）回收成分认证，并带有 ULE的环境声明验证标志。

“Magris滑石粉公司位于美国蒙大拿州的黄石矿（Yellowstone Mine）拥有纯度极高的微晶滑石矿床，大部分矿石的纯度都高于大多数进口产品。过去，我们纯度低于 98% 的矿石都被当作废料。现在，我们让纯度在 95-98% 之间的矿石重获新生。”Poulakis 说。

他表示，美国客户对汽车热塑性聚烯烃（TPO）、建筑材料和包装等大市场表现出浓厚兴趣，部分客户已开始使用这些牌号的产品。这些产品于去年在中国国际塑料橡胶工业展览会（Chinaplas）上推出，目前也在与亚洲客户开展项目。 Poulakis 称：“一些客户有意将 PIR 滑石粉牌号与再生塑料结合，生产 100% 再生复合材料。”

该公司正将这种工业后回收材料加工成各种粒径，并按白度进行分选，以制备适用于不同应用场景的牌号。尽管其白度会低于原始 JetFil 滑石产品，但改性复合后材料的力学性能预计与后者相近。

Safic Alcan 旗下分销商 ChemSpec Canada 于今年 3 月宣布与 Cimbar Performance Minerals 建立合作伙伴关系，后者为热塑性塑料等应用领域提供滑石粉产品。该公司提供的滑石粉产品适用于热塑性塑料等应用领域。高片层结构滑石粉旨在改善外观、功能和加工性能。

 

叶蜡石和斜长岩

Trinity Performance Minerals公司在加拿大纽芬兰拥有一个叶蜡石矿，该公司表示，叶蜡石是一种铝硅酸盐矿物，具有高岭土的化学性质和滑石的高宽比，他们的技术碳足迹低，并能控制性能特性。这种矿物是滑石粉的替代品，具有高亮度和白度。2023 年 5 月，美国食品和药物管理局批准了将该产品作为填充物添加到聚丙烯和聚丙烯共聚物中用于制造可重复使用的硬质食品接触容器（与婴儿配方奶粉和母乳接触的容器除外）。

Lumina Sustainable Materials公司的总裁Brian Hanrahan表示，该公司正在印第安纳州进行新型斜长岩加工中试，该矿物采自格陵兰矿区。格陵兰斜长岩具有独特的形态学与化学特性，形状像碳酸钙，硬度类似硅灰石。公司通过超细粉碎工艺将矿物粒径控制在非磨蚀性范围，并具备母粒制备能力。

据介绍，有多种材料在能够替代矿物填料的同时还能减轻重量，如，天然填料和纤维（如大麻、木粉等）。微珠是另一种轻量化的替代方案。

总部位于美国宾夕法尼亚州和荷兰的诺力昂公司（Nouryon）提供Expancel可膨胀微珠产品，该产品兼具‌发泡剂‌和‌轻质填料‌双重功能“微珠由热塑性壳体包裹气体构成。受热时，它们会急剧膨胀，体积最大可增至原始体积的‌60倍‌。”诺力昂解释道。

该公司最新推出的产品是Expancel Bio可膨胀微珠，其外壳采用部分生物基聚合物制成，使产品的可再生成分高达 55%。该公司报告说，第一代生物基微珠是基于醋酸和/或丙酸取代的纤维素酯类微珠产品。该产品适用于汽车零部件和鞋底等应用领域。

欧米亚公司（Omya）的 Omya sphere 900 中空玻璃微珠由钠钙硼硅玻璃衍生，可用于各种塑料的轻量化。该公司称，这种微珠密度低、抗压强度高、亮度高。

2023 年 6 月，欧米亚收购了奥地利微珠生产商 Bublon，此次收购不仅提升了欧米亚在轻质填料领域的加工能力，同时获得了专利保护的高能效生产工艺。Bublon微珠以珍珠岩（一种天然火山玻璃矿物）为原料，其核心技术在于通过专利电炉对原始珍珠岩进行受控热膨胀，最终形成闭孔结构的膨胀珍珠岩。

欧米亚轻质填料全球业务开发总监 David González Amago表示：“该技术不仅‌完善了我们现有产品体系‌，更与我们提供先进可持续材料与解决方案的‌企业承诺完全契合。”

据经销商Dreytek公司曾表示，日本板硝子集团（NSG Group）的玻璃鳞片产品Duraflake在弯曲强度与冲击强度方面已接近玻璃纤维水平，且性能显著优于云母及该司早期玻璃鳞片产品。例如，添加30% Duraflake的PA66材料相较于玻纤增强材料，在薄壁件和复杂结构中的翘曲变形显著降低。该玻璃鳞片具备透明特性，克服了云母增强导致的灰暗色调问题。针对这种硼硅酸盐玻璃鳞片，可提供多种浸润剂——即改善玻璃与聚合物相容性的涂层材料。

益瑞石（Imerys）作为全球领先的矿物供应商，提供包括碳酸钙、滑石粉、云母、硅灰石等在内的多种应用于塑料复合材料的矿物原料。其石墨与碳材料业务板块（Imerys Graphite and Carbon）推出的Timrex系列天然/人造石墨产品，凭借多样化的形态结构与性能特征，可精密调控聚合物复合材料的导热导电性能及机械特性。公司最新产品Sunergy则是一款高性能低碳足迹石墨，采用创新的零催化剂工业级工艺制备而成

据益瑞石公司报告，这种合成石墨粉由该公司位于瑞士博迪奥（Bodio）的生物精炼厂以林木业残渣为原料生产而成，相较传统工艺可降低60%碳排放。由于该工艺不使用催化剂，可显著降低高纯度应用场景下的污染风险。该产品在瑞士本土化生产并采用本地原料，为欧盟地区提供了供应链安全性保障。

该公司称，新型石墨添加剂已在多种聚合物应用中通过评估，结果显示其在导热性、导电性和润滑性方面的性能与使用益瑞石高纯度 Timrex 石墨制成的材料相当，甚至更优。

益瑞石在加拿大Boucheville的生产基地开发出了新的云母牌号Suzorite。这些用于热塑性塑料的新产品通过材料设计，实现了‌增强效率最大化‌、‌尺寸稳定性优化‌以及‌热屏障/阻燃协同效应‌。公司商务总监Michele LaPerna Wong指出：“该产品通过降低添加量和/或减薄厚度拓展轻量化可能性，对标现有解决方案可显著改善翘曲变形并降低线性热膨胀系数。”

 

生物成因矿物

Calcean Minerals & Materials 公司持续供应一种生物成因碳酸钙。该公司称，这种材料可在不影响终端产品性能的前提下，帮助降低其碳足迹。这种文石属于生物沉淀碳酸钙，由巴哈马浅海区域的浮游植物自然富集形成。这种生物基矿物经采集和粉碎研磨后制成 OceanCal 鲕状文石粉，提供未处理型及植物基硬脂酸涂层型，标准粒径分布的中位粒径（D50）为 3 微米、5 微米和 8 微米。公司表示，目前正积极开发超细及较粗等级产品，以拓宽产品线。

此外，该公司还在美国佐治亚州萨凡纳（Savannah）扩建并开设了一家新工厂，以补充其在阿拉巴马州加兹登（Gadsden）的现有工厂。公司表示，新工厂位于沿海地区，可直接通过铁路运输，有助于高效服务于国内外市场。萨凡纳工厂目前向各行业供应干燥筛分处理过的文石原料，其粉体加工设备正处于调试阶段，即将实现本地化粉末供应。

为了量化碳减排，该公司已为其产品建立环境产品声明体系（Environmental Product Declaration ，简称EPD）。该公司解释说：“EPD 确认了我们的鲕状文石具备‌气候正效益‌（climate positive），这意味着它从大气中清除的碳要多于开采和加工过程中排放的碳。”

 

碳酸钙

Incoa 公司表示，其 InCal 碳酸钙矿物改性剂适用于热塑性塑料，采用无水研磨生产，排放量低。该公司的 EPD 显示，InCal 的二氧化碳排放量为 210 千克二氧化碳/公吨，比行业平均水平低 25-30%。在含InCal填料的聚丙烯（PP）改性材料在热塑成型食品托盘中的应用案例中，该填料不仅降低了材料的碳足迹，同时还减少了加工过程中所需的加热能耗。

公司宣称，其产品 InCal 10BF BioFill 是一种经特殊改性的碳酸钙，可在挤出加工过程中抵抗水解作用——这对于聚酯类材料及酯基生物聚合物而言是一个常见的问题。

Incoa 的 InCal 10BF 和 15BF 表面处理牌号专为在微孔 PE/PP 透气薄膜和 BOPP 包装中实现良好分散而设计。其优点包括热稳定性和紫外线稳定性、高疏水性、高水蒸气透过率和耐水压性，此外还能降低成品的碳足迹。

欧米亚公司表示，其新一代 Omyamax 碳酸钙母粒可为复合改性厂商和产品成型厂商提供优化的产量和分散质量，适用于聚丙烯（PP）扁丝编织袋、超薄HDPE薄膜袋、热成型片材及其它软/硬质包装领域。该母粒在改性生产中能使双螺杆挤出机产量提升高达35%。

该填料于2022年上市，相较于传统碳酸钙，它能显著降低聚丙烯（PP）降解程度，可在不影响紫外线稳定性的前提下提高填充比例（例如用于PP扁丝编织袋）。埃克森美孚（ExxonMobil）近期的一项案例研究介绍了在其高性能编织带芯层中同时采用Vistamaxx改性聚合物与欧米亚碳酸钙母粒，新型母粒配方使产品韧性和断裂伸长率获得了同步提升。

 

本文翻译自AMI《COMPOUNDING WORLD》
作者：Jennifer Markarian

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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