高嶺土在農(nóng)用塑料薄膜中的應(yīng)用

來源：中國粉體工業(yè)網(wǎng)

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(xiàn)大小不均的孔洞，影響材料的力學(xué)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(jì)八卜年代后期，我國開始強(qiáng)調(diào)農(nóng)用塑料薄膜(農(nóng)用棚膜和地膜)的功能化，特別是農(nóng)用棚膜的功能化，即通過添加各種有機(jī)或無機(jī)的功能性助劑．提高農(nóng)用棚膜的耐老化能力，延長使用壽命，提高其保溫性，促進(jìn)農(nóng)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(nóng)作物有害的紫外光或綠光轉(zhuǎn)變?yōu)楣夂献饔每梢岳玫募t橙光等，簡稱為長壽、高保溫、防霧滴和轉(zhuǎn)光四大功能。農(nóng)膜的功能化為農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，盡管功能膜比普通膜的價格要高15％以上，但仍然受廣大農(nóng)民的歡迎，因?yàn)榭偟耐度氘a(chǎn)出比使農(nóng)民認(rèn)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(yīng)用。我們于九十年代初進(jìn)行了高嶺土在農(nóng)膜中做為紅外光阻隔劑的研究，并取得預(yù)期效果，于1993年在日本東京舉行的國際聚合物加工學(xué)會學(xué)術(shù)報(bào)告會上公布了研究結(jié)果…。研究結(jié)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(fā)和應(yīng)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(shù)逐漸成熟，在造紙、涂料等領(lǐng)域的應(yīng)用也很成功。在塑料中使用煤系高嶺巖粉碎煅燒后的產(chǎn)品，如山西太原八一填料聯(lián)合廠、河北省平鄉(xiāng)縣東風(fēng)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(yè)中的用量還不大，名聲也不響，究其原因主要是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)這兩方面的因素。我們在開發(fā)煤系高嶺土的用途并進(jìn)入塑料工業(yè)市場的過程中還需要做幾個方面的工作。應(yīng)當(dāng)看到農(nóng)用塑料薄膜是塑料制品的重要品類．現(xiàn)在和將來都將是我國塑料工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品．也是支援農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資料。我國每年耗用的棚膜達(dá)65萬噸以上，在第十個“五年計(jì)劃”中，塑料棚膜的年產(chǎn)量還將大幅度提高，估計(jì)可達(dá)到一百多萬噸．因此，僅農(nóng)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(yīng)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(nèi),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(nóng)作物進(jìn)行光合作用的可見光主要是轉(zhuǎn)化為地球上的熱能。夜晚從地球表面向大氣層散發(fā)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(nóng)用塑料薄膜扣成的大棚，主要是使棚內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于棚外，使農(nóng)作物得以早發(fā)芽、早成熟，即使在寒冷的季節(jié)里棚內(nèi)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(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能，使柵內(nèi)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(zhì)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(nèi)，達(dá)到塑料大棚保溫的效果。(見圖1)

圖1塑料大棚內(nèi)白天和夜間光、

熱能輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系

2高嶺土紅外光阻隔劑使用情況

　　德國CONSTAB聚合物化學(xué)公司，是一家專門從事在農(nóng)用塑料薄膜中使用的功能性助劑與母料研究和生產(chǎn)的企業(yè)。他們以中國出產(chǎn)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(nèi)的紅外光透過率減少至25％以下。(見圖2)

　　河北省平鄉(xiāng)縣東風(fēng)塑料廠用山西太原產(chǎn)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(jīng)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(xué)組成穩(wěn)定，有利于在農(nóng)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(xué)性能優(yōu)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(shù)為5％ 通過扣棚實(shí)驗(yàn)表明，相對于滑石粉和碳酸鈣填充的農(nóng)膜，用高嶺土填充的農(nóng)膜透光性好，棚內(nèi)保溫效果好，有利于農(nóng)作物增產(chǎn)。

　　山西太原富達(dá)填料廠生產(chǎn)的超細(xì)煅燒煤系高嶺土．是先將黑砂石用雷蒙磨粉碎至400目，經(jīng)沸騰爐脫水、除碳、煅燒，再加水制成泥漿并研磨，經(jīng)沉淀和烘干而制得，粒徑<5μm的占92.9％。此產(chǎn)品參加了由中國農(nóng)用塑料應(yīng)用技術(shù)學(xué)會農(nóng)用塑料制品分會于1998年進(jìn)行的六種無機(jī)保溫劑添加的聚乙烯塑料吹塑薄膜應(yīng)用試驗(yàn)，表2是該廠提供的兩種用不同產(chǎn)地原料煅燒的高嶺土填充的聚乙烯薄膜的力學(xué)性能和光學(xué)性能…。

　　表2兩種煅燒高嶺土填充聚乙烯薄膜的力學(xué)、光學(xué)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(xué)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(jī)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(chǎn)的0.05mm厚的無機(jī)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(shù)字，基本上代表了我國目前使用無機(jī)填料填充的具有阻隔紅外光功能的高保溫型農(nóng)用塑料薄膜的技術(shù)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)光線強(qiáng)度不均的現(xiàn)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(fā)展歷程看，這種推廣應(yīng)用還不像預(yù)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(rèn)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(jī)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(dāng)下降，這種阻隔性能僅次于云母粉的無機(jī)填料，占據(jù)無機(jī)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(xué)性能與光學(xué)性能

　　填充聚乙烯薄膜的力學(xué)性能除與基料的種類和性能有關(guān)外，主要取決于填料本身的特點(diǎn)和填料與樹脂基體兩相結(jié)合的好壞。

從得到的研究結(jié)果看，使用1250目的煅燒高嶺土．只要方法得當(dāng)，當(dāng)在聚乙烯薄膜中填充量達(dá)5％時，薄膜力學(xué)性能能達(dá)到國家農(nóng)膜標(biāo)準(zhǔn)的要求，但從最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，填充量應(yīng)達(dá)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(yīng)以犧牲薄膜的其它光學(xué)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(jìn)入棚內(nèi)的部分有可能減少．但有的研究工作認(rèn)為，加入煅燒高嶺土等無機(jī)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(lán)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(nóng)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(fā)生折射和反射，到達(dá)棚內(nèi)時光線的方向發(fā)生變化．成為散射光，使棚內(nèi)不同位置的農(nóng)作物得到更多的光照。據(jù)中國農(nóng)科院農(nóng)田實(shí)際測試．用普通聚乙烯棚膜，棚內(nèi)過渡區(qū)和邊緣區(qū)比中央?yún)^(qū)分別減產(chǎn)10％和14％，而使用具有漫散輻射特性的聚乙烯棚膜，棚內(nèi)過度區(qū)與中央?yún)^(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量基本相同．邊緣區(qū)農(nóng)作物的減產(chǎn)量也有所縮小。

　　這些研究工作取得了較好的結(jié)果，對推廣使用煅燒高嶺土很有利，但數(shù)據(jù)欠單薄且缺乏系統(tǒng)性，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)做工作。

3．3煅燒高嶺土的表面處理與母料

　　從薄膜的力學(xué)性能和透光性考慮，對煅燒高嶺士的粒度要求是越細(xì)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(xì)也就是粒徑為5μm以下的所占比例多少的區(qū)別。既使是這樣的細(xì)度，也面臨著如何進(jìn)行表面處理和防止粒子二次凝聚的問題。

　　由已進(jìn)行的研究工作提供的數(shù)據(jù)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(jìn)行相應(yīng)的表面處理，最好是在生產(chǎn)廠家進(jìn)行脫水、粉碎、烘干時進(jìn)行，否則到塑料母料生產(chǎn)企業(yè)后再進(jìn)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(jī)對無機(jī)填料進(jìn)行表面處理，而在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳作用下，物料相互碰撞、摩擦，極易產(chǎn)生靜電，更易使填料顆粒凝聚。

　　一旦發(fā)生粒子凝聚，在后序的母料混煉加工設(shè)備和薄膜吹塑設(shè)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(chǎn)碳酸鈣填充母料時)，否則會產(chǎn)生混煉擠出機(jī)螺桿扭矩急劇增大，甚至出現(xiàn)“抱死”的現(xiàn)象；由于另一種功能助劑一防霧滴劑的熔點(diǎn)低，在母料加工溫度下會使物料與螺桿問出現(xiàn)過度潤滑現(xiàn)象，若將兩種功能性的助劑放在一起生產(chǎn)，即產(chǎn)生防霧滴—保溫雙功能母料．既可相互彌補(bǔ)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(nèi)的陽光的照射，如果不采取防老化措施．很快會出現(xiàn)降解現(xiàn)象．強(qiáng)度下降，在風(fēng)、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(chǎn)又加重了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。在農(nóng)膜發(fā)展過程中，功能性農(nóng)膜的出現(xiàn)首先是指薄膜的耐老化功能被加強(qiáng)了，即長壽薄膜?，F(xiàn)在只要添加適當(dāng)?shù)姆览匣鷦∧さ氖褂脡勖纯裳娱L至2～3年。

　　無機(jī)填料的加入不僅會使薄膜的強(qiáng)度下降(雖然能在一定添加范圍內(nèi)使薄膜力學(xué)性能達(dá)到國標(biāo)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(jù)填充煅燒高嶺士的聚乙烯薄膜在北京郊區(qū)兩個地點(diǎn)的試驗(yàn)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(qiáng)度、斷裂伸長率兩項(xiàng)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(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，觀察在薄膜使用過程中，無機(jī)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(jìn)行平行對照比較，以便得到肯定的結(jié)論。

3．5母料對薄膜加工設(shè)備的磨損

　　填料的使用無疑會造成和物料接觸的加工設(shè)備的金屬部件的表面磨損，這些部件包括螺桿、螺筒、機(jī)頭、模具等。設(shè)備和模具被磨損后會造成擠出量下降，生產(chǎn)效率降低，塑料制品的尺寸不符合設(shè)計(jì)要求等問題。無機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)和制造塑料加工機(jī)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(guī)的塑料加工機(jī)械廠都使用氮化鋼，即38CrMOAl合金鋼經(jīng)表面氮化處理而成，其表面維氏硬度在800以上，約相當(dāng)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(qiáng)度與二者硬度差有關(guān)，一般認(rèn)為：

　　金屬硬度高于1.25倍的磨料硬度時，屬于低磨損強(qiáng)度：

　　金屬硬度為0.8～1.25倍的磨料硬度時，屬于中磨損強(qiáng)度；

　　金屬硬度低于O.8的磨料硬度時，屬于高磨損強(qiáng)度。

　　使用重質(zhì)碳酸鈣做塑料的填料，由于其維氏硬度在140左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氮化鋼表面硬度，因此對加工機(jī)械設(shè)備和模具造成的磨損比較輕，擠出機(jī)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(zhì)高嶺土，一 般認(rèn)為莫氏硬度為2，低于碳酸鈣不會產(chǎn)生嚴(yán)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(dāng)復(fù)雜，600～1000c中溫煅燒時，產(chǎn)物為硅鋁尖晶石相，1200℃以上高溫煅燒時，產(chǎn)物為莫來石、方英石相。在不同晶相的產(chǎn)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(jī)械設(shè)備和機(jī)頭、模具的金屬部件表面帶來嚴(yán)重磨損。

3．6煅燒高嶺土的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

　　目前，塑料加工企業(yè)從非礦企業(yè)得到的產(chǎn)品統(tǒng)稱為高嶺土，由于行業(yè)的局限性，塑料加工企業(yè)的人員并不了解高嶺土的規(guī)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(shí)際上，做為一種功能性助劑，煅燒高嶺土必須要有自己的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)．一方面可以充分地發(fā)揮高嶺土在塑料中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮的作用，另一方面也可使生產(chǎn)者和使用者都能掌握產(chǎn)品的特點(diǎn)與檢驗(yàn)方法。這個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)至少應(yīng)當(dāng)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(xué)組成及雜質(zhì)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(biāo)與造紙和涂料中使用的產(chǎn)品有很大區(qū)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(jié)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(dú)具我國特色的寶貴資源，將其很好地開發(fā)利用是非礦行業(yè)包括塑料行業(yè)在內(nèi)的共同的任務(wù)．但是做為一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅非礦行業(yè)對此不甚清楚，塑料行業(yè)眾多從業(yè)人員也不清楚，盡管已經(jīng)進(jìn)行了一些研究工作，但仍然顯得單薄和零散，不足做為大規(guī)模推廣應(yīng)用的依據(jù)。近幾年，非礦行業(yè)的許多企業(yè)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(lǐng)域中的應(yīng)用也取得顯著進(jìn)展。就塑料行業(yè)來講，煤系高嶺上在農(nóng)用塑料薄膜中的應(yīng)用已取得肯定的成果，我們希望在此基礎(chǔ)上，組織力量就上而所講的幾個方面的問題進(jìn)行深入的、全面的探討和研究。給出系統(tǒng)的、權(quán)威的數(shù)據(jù)與結(jié)論，為我們在塑料行業(yè)中進(jìn)行全面地宣傳奠定堅(jiān)實(shí)的、科學(xué)的基礎(chǔ)。

　　應(yīng)用開發(fā)研究工作和煅燒工藝設(shè)備的研究工作同樣重要。非礦行業(yè)不僅應(yīng)拿出質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品．而且還應(yīng)指導(dǎo)用戶如何合理地使用好自己的產(chǎn)品，另方面我們電希望非礦行業(yè)在研究煅燒煤系高嶺土工藝和設(shè)備方面取得成功之后拿出一部分力量進(jìn)行深加工．深入到塑料加工領(lǐng)域中來，將煅燒高嶺土進(jìn)一步做成功能母料．不僅可以為塑料行業(yè)提供更好的產(chǎn)品．而且也可以增加產(chǎn)品的科技含量，提高其附加值。

　　現(xiàn)在，納米材料和納米技術(shù)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(xué)院化學(xué)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(jīng)問世并得到實(shí)際應(yīng)用。如果能將煤系高嶺土向納米材料方面推進(jìn)，相信會取得更加輝煌的成就。