无机矿物填料是以无机矿物或非金属矿物为主要原料，经加工后具有一定化学成分、几何形状和表面特征的一种粉体材料。

无机矿物填料有多种分类方法。一般来说，填料的化学成分决定了填料的性质，尤其是赋予材料功能的时候。

表1按化学成分对无机矿物填料的分类

2.无机矿物填料的特性

与无机矿物填料填充效果相关的主要性能有化学组成、粒度及分布、比表面积、颗粒形状、密度及堆积密度、吸油值、白度、硬度、表面性能、热性能、光学性能、电性能和磁性能。

表2无机矿物填料的主要物理和化学性质

化学组成是无机矿物填料的基本性能之一。无机矿物填料的化学活性、表面性质(效果)、热性质、光学性质、电性质和磁性很大程度上取决于化学组成。

无机矿物填料的颜色或白度很大程度上取决于填料的化学组成，尤其是氧化铁、氧化锰和氧化钛等显色组分。因此，大多数非金属矿物填料对Fe2O3的含量有严格的要求。

无机矿物填料的化学成分很大程度上决定了其电性能，如电导率或体积电阻率:石墨是一种无机矿物填料，具有良好的导电性；硅酸盐矿物多为无机矿物填料，电绝缘性好，但如果含有较多的铁杂质或其他金属杂质，其体积电阻率会明显降低。

无机矿物填料的热性能也与其他化学成分密切相关。大多数无机填料属于易燃物或缓凝剂。一些含有较多结构水的无机矿物填料，如氢氧化镁、氢氧化铝等，分解温度较低，分解后产生水蒸气和金属氧化物，具有优异的阻燃性能，不会产生有毒烟雾。因此，它们是聚合物基复合材料的环保阻燃填料。

(2)粒度和粒度分布

粒度和粒度分布是无机矿物填料最重要的性能之一。不同的应用场合对无机矿物填料有不同的要求。

对于聚合物基复合材料(塑料、橡胶、粘合剂等。)，填料粒径越小，增强效果越大，前提是在树脂中分散良好。

对于造纸填料，粒径不能太小，因为太小会降低填料在纸张中的留着率，不公平地浪费填料，增加造纸成本，还可能降低纸张的不透明度。

因此，在目前的技术经济条件下，无机矿物填料的细度并不是越细越好。

填料的粒度和粒度分布通常用中值粒度或平均粒度(d50)、25%或更小的粒度(d25)、75%或更小的粒度(d75)、90%或更小的粒度(d90)、97%或更小的粒度(d97)和最大粒度(dmax)来表示。对于涂料和油墨中使用的无机矿物填料，除了相应的粒度外，还应确定325目筛的剩余量。

(3)颗粒形状

无机填料颗粒的形状一般可分为球形、片状、立方体、纤维状(或针状)等。不同的填料通常具有不同的颗粒形状。

第一，不同形状、不同比表面积的填料；

第二，填料的形状直接影响填料的堆积密度。

比如球形填料的堆积和片状填料有助于提高产品的机械强度，但不利于成型。相反，球形填料可以改善产品的加工性能，但可能会降低其机械强度。

(4)表面性质

无机填料的比表面积是其重要的表面性质之一。一般来说，比表面积越高。表面吸附量越大，填料吸油率越高。比表面积主要与填料的粒径、粒径分布和颗粒形状有关。

对于没有孔隙、表面光滑的颗粒，单位质量的表面积就是其比表面积，如碳酸钙、石英粉、长石粉等。然而，对于具有间隙或通道非金属矿物填料，如硅藻土和多孔粉末应时(属于火山灰沉积岩，其天然粒度很细(0.5 μm；m)，颗粒分布均匀，比表面积大(8.3m2/g)，外部结构近似球形和角形。根据电镜图像，其表面全部为纳米介孔，平均孔径约为8.8nm(纳米)。粒度越细，比表面积越大。

填料的物理结构对其填充性能也有一定的影响。填料的特殊结构非常复杂。结晶颗粒熔点的急剧变化造成表面的许多不规则，而非晶颗粒(如玻璃)在高温下的粘度较低。表面张力使表面光滑，填料被压碎后表面会发生变化，这些都影响其与基材和聚合物的结合状态。

由于填料表面各种官能团的存在，以及与空气体中氧气或水分的相互作用，填料的化学结构与填料不同。无机填料大多具有一定的酸碱性，表面带有亲水基团，具有极性，容易吸水。而有机聚合物是疏水性的，所以它们之间的相容性差，很难在界面形成良好的结合。正因为如此，为了改善填料与树脂之间的相容性，增强它们之间的界面结合，需要通过适当的方法对无机矿物填料进行表面改性。

填料表面与基材之间的结合状态对填料的综合性能有直接影响。填料在表面的存在，无论是物理因素还是化学活性因素，都是不可忽视的。因此，在加工和选择无机填料时，必须考虑填料表面的物理和化学特性。

如果能实现无机填料与基材之间的化学结合，填充效果会大大提高，有些填料会起到补强作用，比如在不影响填充熔体流动性的情况下增加填充量，可以使成型顺利进行，材料表观质量好。实现良好化学结合的最有效方法是正确处理填料表面。

5)密度

填料的真实密度与其原始矿物的密度相同，当填料颗粒均匀分散在基体树脂中时，正是真实密度影响填料材料的密度。由于堆积时填料颗粒之间的空间隙，不同形状颗粒的粒径和分布不同，质量相同时堆积体积也不同。所以堆积密度或表观密度是不一样的，有时差别很大。

填料的堆积密度对复合材料的性能影响很大，不同用途和要求的复合材料对堆积密度的要求完全不同。比如增量复合材料中添加填料的目的是节省树脂用量，大大降低材料成本，所以往往添加价格低廉的填料，希望用量越大越好。希望包装能达到最大密度。然而，对于其他复合系统，最大密度堆叠是不合适的。比如在复合导电塑料中，导电填料价格较高，生产中希望以最小的填充量获得最佳的填充效果，这就要求填料达到最小的密度。

在填充过程中，最大颗粒的填充决定了系统的总体积。系统的粒子之间存在大量的空间隙，加入的更细的粒子填充了这些空间隙，所以系统的总体积保持不变。更细的颗粒之间仍然存在空间隙，这些空间隙被更细的颗粒填充。粒子越来越细，直到粒子无限小，系统的总体积等于填充物的真实体积。这种堆积体系相当于一个数学几何级数，其最终堆积体积由粒度分布和最终剩余空间隙体积决定。

填料的最大密度填充体系可以通过应用特定的粒度分布获得，此时复合材料中使用的基体树脂最少。相反，最小密度堆积系统可以通过使用单一颗粒尺寸来获得。此时复合材料中使用的基体树脂是最多的。为了尽可能降低堆积密度，往往选择大长径比的颗粒，长径比大的纤维或针状颗粒最为有效。这些粒子在静止状态下很难相互定向，所以形成一个松散的系统，占据很大的体积。

(6)吸油值

吸油值是无机矿物填料的主要性能指标之一。填料的吸油值影响填充体系中塑化助剂的用量和材料的加工性能。低吸油值填料在填充体系中具有良好的加工性能，易于与树脂混合，并可减少增塑剂的用量。

无机填料的吸油值与其粒径及分布、颗粒形状和比表面积有关。粒径越细，比表面积越高，吸油值越大。对于细度相同的同类无机矿物填料，有机表面改性可以降低无机矿物填料的吸油值。

(7)硬度

无机矿物填料的硬度与填料加工设备的磨损密切相关。人们不希望使用填料的好处被加工设备的磨损抵消。一方面，高硬度的无机矿物填料可以提高填料材料的耐磨性，受到人们的重视。当然，不同硬度的无机矿物填料对加工设备的磨损不同；另一方面，对于具有一定硬度的填料，加工设备金属表面的磨损强度随着填料粒径的增大而增大，达到一定粒径后磨损强度趋于稳定。

另外，设备的磨损也和设备的材质有关。设备材料的硬度越高，相同硬度的无机矿物填料的耐磨强度越低。

(8)颜色和光学特性

除了专门用于着色材料的填料外，填料的颜色也是应用中主要考虑的因素之一。为了保持填充材料基质的颜色不变或不利地影响基质的颜色，通常希望填料本身是白色的，并且白色越高越好。

填料的折射率不同于树脂基体的折射率。填料的折射率和基质树脂的折射率之差(通常约为1.50)显著影响填料的透明度，也影响填料着色的颜色深度和亮度。

紫外光可以分解聚合物大分子，炭黑和石墨填料可以吸收紫外光(波长0.01-0.4um)，可以保护填充的聚合物不受紫外线辐射而降解。

红外线是波长范围大于0.7微米的光波。某些填料，如云母、高岭土、滑石等。，可吸收或反射该波长范围的光波，可降低红外线的透过率。

(9)热性能

材料加工主要涉及加热、熔化、冷却和凝固等过程。无机矿物填料的热性质及其与聚合物基体的差异也会影响加工过程。

大多数无机矿物填料的线膨胀系数为(1-10)×10。0-6k-1，而大多数聚合物的线膨胀系数为(60-150)×1。在0-6k-1范围内，后者通常是前者的几十倍。

聚合物易燃烧，无机矿物填料由于其不燃性或不燃性，填充到聚合物中后，可以降低可燃物浓度，延缓或阻止基体的燃烧。例如，氢氧化镁和氢氧化铝分别在200℃和340℃左右开始分解成氧化物和水。由于这种分解反应是吸热的，释放的水和生成的不燃性氧化物可以降低燃烧区的温度，将物质与周围空气体隔离，从而达到灭火的目的。

(10)电气性能

除了石墨，大多数无机矿物填料都是电绝缘体。

3.无机矿物填料的主要功能

无机矿物填料的主要功能是增值、增强和功能。

(1)增量

添加廉价的无机矿物填料以降低产品成本，例如在塑料、橡胶、粘合剂等中填充碳酸钙(包括重质碳酸钙和轻质碳酸钙)。减少有机树脂或聚合物的量；用碳酸钙和滑石粉填充纸张，以减少纸浆或纸纤维的用量。这种无机矿物填料也称为填充剂。

(2)增强

提高机械性能(包括弹性模量、拉伸强度、刚性、撕裂强度、冲击强度、摩擦系数、耐磨性等。)的聚合物基质复合材料，如塑料、橡胶和粘合剂。无机矿物填料的增强作用主要取决于其粒径或比表面积和颗粒形状。粒径小于5um的超细无机矿物填料，针状无机矿物填料如硅灰石、透辉石、透闪石、石棉，以及片状无机矿物填料如云母、滑石、高岭土、石墨等。在某种程度上具有强化或增强功能。

一般来说，各种填料的增强效果顺序为:纤维填料>:片状填料>:球形填料。相反，基料中各种填料的流动性顺序大致如下:球状填料>:片状填料>:纤维填料。

(3)赋予职能

无机矿物填料可以赋予填充材料一定的功能，如塑料和橡胶制品的尺寸稳定性、阻燃性或阻燃性、耐磨性、绝缘性或导电性、隔热性或导热性、隔音性和抗菌性；耐湿擦洗性、耐磨性、耐腐蚀性、耐候性、遮盖力、净化空气体、湿度控制等。涂层的厚度；纸制品优异的吸墨性和印刷适性。这时，无机矿物填料的化学组成、晶体结构、光热、电磁性能、比表面积和颗粒形状起着重要作用。

表3给出了功能效果和相应的填充物

矿物填料在现代材料工业中起着重要的作用，如塑料、橡胶、粘合剂、化纤、涂料、造纸、胶凝材料、建筑材料等。随着新材料产业特别是复合材料产业的发展，这一问题日益突出和重要。主要原因如下。

(1)无机矿物填料是在保证性能要求的前提下，降低材料生产成本的最有效的原料或辅料。

因为无机矿物填料，尤其是常见的增量填料碳酸钙、粘土、滑石粉价格较低，用作塑料制品、橡胶制品、粘合剂、化纤、纸浆等基材的树脂价格也较低。明显高于无机矿物填料，在这些产品中填充一定量的无机矿物填料，可以在满足相关产品标准和保证性能要求的前提下，显著降低材料的生产成本。

(2)无机矿物填料是获得具有独特功能的复合材料最方便有效的填料。

随着现代科技、经济和社会的发展，对材料的功能要求越来越高。单一的原料和配方越来越难以满足日益增长的使用要求。对于聚合物基复合材料，如塑料、橡胶、粘合剂等，从聚合物合成的角度开发具有独特功能和新结构的高分子化合物有时很困难，有时可能要花费大量的资金和很长的时间。然而，通过矿物填料来实现改性通常是方便和容易的。

(3)无机矿物填料是综合利用矿产资源、替代或节约树脂的重要材料。

近代发展最快的高分子材料是以树脂为基础的非金属材料，合成树脂的原料是石油。非金属矿产是储量丰富的矿产资源，部分与金属矿产和固体燃料矿产共存。将非金属矿物综合利用加工成矿物填料，用于填充树脂生产聚合物基复合材料，在降低材料成本和赋予材料一定功能的前提下，可以节约大量的石油。目前，无机矿物填料在塑料制品中的平均用量已经达到10%以上，部分塑料制品中矿物填料的用量已经达到30%以上。

(4)无机矿物填料是最适合提高材料或产品的技术含量，增加其附加值的填料。

无机填料来源广泛，品种繁多，可加工成功能性填料以满足不同的应用要求，可提高填料产品的技术含量，增加其附加值。比如将表面处理过的超细碳酸填充到塑料制品中，提高其韧性；加入片状结构的滑石和针状结构的硅灰石可以提高其强度。添加经过表面改性的超细氢氧化铝和氢氧化镁可以代替有机阻燃剂，赋予其优异的阻燃性能；在建筑涂料中添加煅烧高岭土可以提高涂膜的强度和耐湿擦洗性。在纸制品中填充滑石粉和碳酸钙可以提高其白度、平整度和印刷适性。在橡胶中添加超细片状高岭土可以提高橡胶的强度和阻气性能。

作为无机矿物填料，可以从组成、结构、表面性质等方面进行选择。根据材料性能的要求，能满足不同应用的要求，能显著提高填充材料或产品在某一方面或几个方面的技术含量，因此能显著提高填充材料的附加值。

因此，可以说无机矿物填料为新型功能材料尤其是复合材料的发展提供了广阔的发展空。