高分子材料功能助剂的研究进展.doc

高分子材料功能助剂的应用现状和发展趋势
陈宇 王朝晖
（北京市化学工业研究院，北京，100084）
摘要：从传统助剂的改进、新型助剂的涌现、稀土类助剂成为热点三个方面介绍了高分子材料功能助剂的应用和发展。
关键词：传统助剂、新型助剂、稀土类助剂
1．前言
随着高分子材料合成与加工的技术进步，塑料在各行业得以广泛、深入应用。各行业所采用的塑料制品大不相同，对制品的材质、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助剂、基础树脂原料和塑料加工机械一起组成了塑料加工的三大基本要素。此外，加工工艺水平、配方技术以及相关配套服务设施也成为完美展现塑料制品性能的不可缺少的因素。
助剂行业虽然是塑料工业的伴生产业，但其发展迅速。随着制品性能要求的不断提高，其品种也从无到有，从少到多，迄今已发展成为门类比较齐全、理论相对成熟，产耗量颇具规模的精细化工行业体系。功能助剂和稳定化助剂、加工助剂成为这个体系的三大组成部分。据统计，2001年全球塑料助剂的消费量达到了790万吨，销售额146亿美元。其中，功能助剂占据了80％左右。可见功能助剂在塑料加工行业中扮演了相当重要的角色。一些新型功能助剂（如抗菌剂、流滴剂、消雾剂、转光剂、光降解剂和生物分解剂）发展时间不长，消费量较低，却带来了助剂产业新的突破点和增长点，丰富完善了整个助剂体系，其高技术含量和巨大的增幅显示了强大的生命力。虽然单一结构对应单一性能，仍是助剂分子结构设计的理论基础，但复合化、高分子量化、环保化等新思路逐渐占据了新型研发的主线。一剂多功能化和单剂单功能高效能化成为现代助剂研发的趋势。在注重功能体现的同时，人们将更多的目光投在了前期的加工适用性、配方设计和后期的回收、无害化处理等问题上，这使得助剂研究的结构更为合理，发展更为平衡。
我国助剂工业起步较晚，发展迟缓，难以适应目前的发展需求，甚至已成为制约塑料功能化发展的瓶颈。必须借助塑料行业发展，探索一条具有中国特色的助剂工业之路。在消化、吸收、仿制国外先进品种和技术的基础上，针对不同行业要求和特点，开发出高效、多功能、复合化、低（无）毒、低（无）污染、专用化的助剂品种，提高规模化生产和管理能力，改变目前助剂行业规模小、品种少、性能老化且雷同、针对性（专用性）差、性能价格比明显低于国外同类产品、创新能力低下、污染严重、无序竞争的局面，创造一个投入产出比明显高于其它化工产品的新产业。

2．传统助剂的改进
国外助剂生产企业研发体系较为完善，技术储备比较丰富，产品更新换代较快。国内由于研发实力的不足和投入不够，这方面要落后许多。针对目前国内塑料加工应用行业的热点问题，传统助剂的复合化、高分子量化和环境友好化正逐步成为各个企业研发的思路和手段。
2．1 复合化
复合化的目的是找到一种助剂使之具有多功能性，可同时满足多种功能需求。按照传统理论，在同一分子内引入多种官能团，可发挥其多功能性。但这显然是不经济和难以实现的。新型的复合化技术是以经典理论和应用技术研究为基础，将显示协同效应或不同功能的助剂组分配合在一起，构成一种复合品种或母料，这无论对助剂开发或应用都具有事半功倍的效果，也是复合化技术备受瞩目的重要原因。
助剂的复合化包括混合型助剂和浓缩母料。前者系各种助剂的混合物，后者则是将助剂和分散剂等以较高浓度附着在载体树脂上，加工时稀释一定倍数。复合技术的共同特点是助剂的应用简单方便。因此，复合化技术已渗透到了塑料助剂的各个领域。与早期简单的复合助剂相比，当代助剂的复合化技术已有质的飞跃，协效组分的作用显得十分关键和突出。其各种组分之间的协同机理的研究和协效组分的开发将是未来助剂复合化技术发展的关键。
北京市化学工业研究院按特定工艺将高分子量受阻胺光稳定剂和具有高效热稳定性、金属离子螯合性的若干光、热稳定剂复合制成BW-6911新型光稳定剂，并推出了6911／B215耐老化体系。6911采用特殊的耦合技术将不同结构的受阻胺稳定剂容和在一起，不仅降低了光稳定剂在树脂中的迁移速率，而且发挥了不同结构的受阻胺稳定剂的协同效果，更增加了耐长期高热氧化降解的能力，有效地解决了高温季节因“背板效应”导致棚膜在棚室骨架处开裂的问题，这是目前通用的622、944、GW540等耐老化体系无力解决的问题。6911在人工加速老化试验中表现出优异的长期防老化效果，其多种受阻胺结构发挥着协同光稳定效果，辅以功能性耦合剂共同发挥抗热氧化降解的作用，从而使其高效地减缓薄膜在氙灯照射下产生的光氧化和热氧化降解，将薄膜的力学性能维持在较高水平上。采用该体系生产的聚烯烃棚膜在东北、华北、西南地区应用后，都取得了令人满意的效果。从图1可见，分别采用6911／B215体系与944／B215体系制得的厚度0.10mm聚乙烯耐老化棚膜在北京郊区覆盖大棚12~15个月，力学性能变化基本一致，都呈缓慢下降趋势，而在18个月左右出现了加快下降趋势，但采用6911／B215耐老化体系的棚膜断裂伸长保留率较高。云南省玉溪市第一塑料厂采用6911／B215耐老化体系生产的厚度0.06mmPE棚膜，在海拨1800m（紫外线辐射强度较高）地区使用寿命1年以上。沈阳华龙农地膜制造有限公司采用6911／B215体系生产的厚度0.10mmPE棚膜，在鞍山市郊区覆盖大棚543天（经历两个夏季），纵横向拉伸强度保留率分别为75.7%、72.4%，纵横向断裂伸长保留率分别为85.5%、78.3%。与覆盖350天（经历一个夏季）相比，下降幅度较小，而且骨架间与骨架处棚膜力学性能保留值差异不大（表1）。试验结果表明，6911／B215体系抗光、热氧化效能良好，有效地解决了“背板效应”导致骨架处棚膜加速老化破裂的实际问题，提高了棚膜整体耐老化性能。

图1 覆盖大棚后棚膜力学性能变化[1]

表1 聚乙烯棚膜覆盖大棚后力学性能变化[2]
覆膜至取样时间/d
取样
部位
棚膜力学性能保留值
棚膜力学性能保留率
拉伸强度/MPa
断裂伸长率/%
拉伸强度保留率/%
断裂伸长保留率/%
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
231
骨架间
20.67
20.36
481.5
709.1
86.5
90.1
90.0
93.3
350
骨架间
19.69
20.48
446.2
686.3
82.4
90.6
83.4
90.3
骨架处
19.57
17.58
451.5
692.4
81.9
77.8
84.4
91.1
543
骨架间
18.10
16.36
457.5
595.0
75.7
72.4
85.5
78.3
骨架处
17.56
16.75
382.5
627.5
73.5
74.1
71.5
82.6
备注
（1）吹塑棚膜用LDPE(18D)与LLDPE(0209AA)共混比为6:4，棚膜厚度0.10mm；
（2）膜中6911含量0.3%,B215含量0.1%；
（3）覆膜地点：辽宁省鞍山市园艺科学研究所钢管骨架拱型大棚。覆膜时间：2000年3月25日

汽巴精化公司推出的新型复合抗氧剂和GX2225等就是在传统的复合抗氧剂B215和B225中分别引入了苯并呋喃酮类化合物HP-136复合而成。HP-136可以捕获高聚物降解直接产生的碳自由基，阻断降解链反应。GX2215可使聚烯烃等高分子材料在高温加工过程中保持优异的稳定性。
有望取代铅类稳定体系应用于化学建材的无毒热稳定剂品种有有机锡类、复合钙锌类和稀土类热稳定剂。有机锡热稳定剂是一种性能卓越的品种。近年来，通过调整其配合体系，已实现无毒无害化，大量应用于高档PVC透明制品，将其用于化学建材性能上可以完全替代复合铅，但成本上升幅度较大。钙锌复合热稳定剂堪称物美价廉，在软制品特别是薄膜制品中可完全替代铅镉类热稳定剂，随着β-二酮化合物和亚磷酸酯螯合剂引入复合钙锌体系，钙锌稳定剂的综合稳定效率得到大幅度提升，在有些应用领域已经可以完全或部分替代有机锡。钙锌稳定体系应用于化学建材等非增塑制品，成为研究热点。但是单独使用钙锌稳定体系，仍然不能满足PVC化学建材的加工和使用要求。稀土热稳定剂是近些年来在我国出现的效能价格比较高的新型PVC热稳定剂。稀土化合物用作PVC热稳定剂，由于无毒、高效、价格适宜，近年来已成为国内热稳定剂行业研究和发展的主流热点之一。针对上述三类无毒替代体系，人们考虑相互间的结合，取长补短，稀土和钙锌的结合成为最有希望的开发目标，也引起众多研究者的关注。广东炜林纳功能材料有限公司近期的研究成果较好地解决了此问题，新一代的WWP系列稳定剂是一种稀土/钙/锌复合稳定剂，无铅化，能进一步延长生产周期，提高制品光亮度和持效性，并能明显抑制门窗型材等户外制品的表观变色，投放市场应用已获成功。
其产品经国家化学建筑材料测试中心分别按GB/T8814-1998和GB/T8814-200X（报批稿）新标准进行测试，结果均大大高于国家技术指标（见表2）。
表2 型材测试结果
测试项目
单位
技术指标
测试结果
洛氏硬度（R标尺）
/
≥85
101
拉伸屈服强度
MPa
≥37.0
37.8
拉伸断裂伸长度
%
≥100
145
弯曲弹性模具
MPa
≥1960
2129
简支梁缺口冲击强度
kJ/m2
≥40(23±2℃)
71.8
简支梁缺口冲击强度
kJ/m2
≤15(-10±1℃)
76.8
维卡软化点
℃
≥83
86.5
氧指数
%
≥38
45.0
低温落锤冲击（10次）
破坏个数
≤1
0/10
加热后状态
/
无气泡，裂痕，麻点
无气泡，裂痕，麻点
加热后尺寸变化率
%
±2.5
1.8((收缩)
高低温反复尺寸变化率
%
±0.2
0.13(收缩)

2．2 高分子量化
高分子量化可提高助剂自身的热稳定性、耐水解能力、提高助剂与基材树脂的相容性，进而提高助剂在塑料制品中的耐迁移性、耐抽提性，且不致过度恶化基材的基本物理机械性能。高分子量化也是降低助剂自身毒性的有效手段。高分子量的抗氧剂1010比低分子量1076的耐水解能力、耐迁移性、耐抽提性有明显改善。聚合型抗静电剂可实现永久抗静电。齐聚溴代碳酸酯、齐聚磷酸酯等高分子量阻燃剂对除阻燃性之外的其他基本物理机械性能的恶化程度均明显降低。受阻胺光稳定剂（HALS）高分子量化对其性能改善的具体事例，更是比比皆是。
国外较早开发成功并应用于工业生产的受阻胺光稳定剂也是低分子量、单分子结构品种。如瑞士Ciba-Gaigy的Tinuvin770以及在此基础上进行的结构改进产品均属此类。Tinuvin770及其改进产品均属单分子结构的双酯化合物，它能为高聚物特别是聚烯烃提供优良的光稳定性，但其本身易迁移、易被水或有机溶剂抽提以及低毒性等特点限制了其应用范围的拓宽，难以满足日益发展的各类户外塑料制品的耐老化需求。八十年代以后，瑞士Ciba精化、美国氰特公司、瑞士克莱恩等公司相继开发成功无毒高分子量受阻胺光稳定剂，并陆续投入工业化应用。其中，以Tinuvin622LD、Chimassorb944FL、Cyasorb UV3346等产品最具代表性，成为目前使用最为普遍的产品。
北京市化工研究院、北京助剂研究所等科研单位正在积极进行944、3346等产品的生产技术研究。其中北京市化工研究院研制开发的无毒高分子量HALS品种BW-10LD(相当于国外Tinuvin622LD)已于1996年正式投入工业化生产，年产能力达500吨。该单位科研人员在此基础上分别研制成功以BW-10LD为核心的聚烯烃耐老化体系。其中农用聚烯烃棚膜耐老化体系经全国21个省市的农膜厂家使用证明，其光、热稳定性能优异，完全能够满足目前设施园艺对其覆盖材料的耐老化要求。
BW-10LD和GW-540因分子量不同而引发了一系列基本性能的变化，如表3所示。
表3 不同分子量光稳定剂热稳定性对比（TGA）
BW-10LD（Mw > 2500）
GW-540（Mw 541）
样品1
样品2
样品1
样品2
失重%
温度℃
失重%
温度℃
失重%
温度℃
失重%
温度℃
1.14
209.1
1.00
228.6
0.95
116.8
1.02
94.6
2.94
281.2

2.88
158.6

5.32
302.8
5.13
319.6
5.22
171.6
4.93
160.7
9.97
317.3
9.85
333.2
10.13
184.6
9.90
201.8

14.86
339.3

15.16
221.4

28.66
350.2

30.16
248.2
由表3可见GW-540失重1%的温度只有110℃，而BW-10LD达到相同失重率时的温度为220℃左右。在PE棚膜的一般加工温度下（170-190℃），GW-540失重严重，高达5-10%。高分子量HALS品种BW-10LD的热稳定性明显优于GW-540。
将BW-10LD、GW-540分别制成含量5%的聚乙烯粒料，经石油醚和水中萃取试验证明BW-10LD的耐抽提性明显优于GW-540。如图2所示。

图2 萃取试验对比
高分子量HALS BW-10LD无毒，可用于食品包装材料。Tinuvin622LD是被美国FDA批准可以接触食品的塑料制品添加剂。BW-10LD的毒性试验数据表明大鼠经口LD50值大于21.5g/kg，依照国际化合物经口急性毒性分级标准，属于无毒类物质，比GW-540的LD50值（1.0g/kg）要大得多。
可见，HALS高分子量化不仅可提高热稳定性、与树脂的相容性、耐迁移性、耐抽出性，而且能降低毒性，延长塑料制品的使用寿命，扩大其使用范围。

2．3 环境友好化
各种合成高分子材料制品的深入广泛应用，给人类赖以生存的环境带来诸多压力。近年来，全球卫生、安全、环保等方面的法规日益严格，要求塑料制品从选材、配方组分、加工工艺及其过程、使用、到废弃处理、分类回收、再生循环、环境可消纳性、燃烧产物及其毒性等环节或因素都必须考虑环境负荷。
以化学建材为例，卫生、安全、环保等方面法规的日益严格，对塑料助剂的功能、效能、卫生安全和环保性等都提出了更新更高的要求。 “绿色”建筑塑料已成为21世纪建材工业的发展方向，高效、多功能、无毒、无公害是塑料助剂发展的总趋势。由于铅盐等重金属热稳定剂在PVC制品生产、回收过程中会对生产人员身体造成伤害和污染。因此大量使用重金属铅盐稳定剂的欧盟国家如法国已完成Ca/Zn热稳定体系的技术储备并已向欧盟承诺，到2010年50%取代重金属,2015年将全部取代重金属。据了解，瑞典和丹麦在今年将禁止使用重金属铅盐和镉盐稳定剂。北美国家的UPVC管材、型材、板材和片材已限制使用铅盐稳定剂，在其它各类塑料制品中，使用铅稳定剂的只占17%。日本规定在2002-2005年，除少数几个品种外均不得使用重金属铅盐稳定剂。据资料介绍，目前国际上制品无铅化的相关标准及检测方法略有差异，美国消费者协会执行美国ASTMF963标准：要求PVC制品铅总含量＜200PPM；欧洲国家参照儿童玩具安全卫生标准，执行欧洲EN71-3标准，铅＜90PPM，制品铅含量的检测方法使用EPA3050B：1996检测方法。
寻找铅、镉替代品的工作就日益紧迫。目前，已出现了大量具有较高性价比的钡／锌、钙／锌类复合稳定剂、稀土类热稳定剂，和价格较高的有机锡类稳定剂。
广东炜林纳功能材料有限公司研制的新一代稀土/钙/锌复合稳定剂产品经SGS国际认证机构检测，八大重金属含量完全符合EN71标准，无毒安全（见表4）。
表4 八大重金属检测结果
项目
检测结果
标准极限值
Pb
〈5
90mg/kg
Sb
〈5
60mg/kg
As
〈2.8
25mg/kg
Ba
〈10
1000mg/kg
Cd
〈5
75mg/kg
Cr
〈5
60mg/kg
Hg
〈6.7
60mg/kg
Se
〈10
500mg/kg
此外，关于邻苯二甲酸酯类增塑剂的有害性仍在争论中，各国对此采取的措施也各不相同。日本环境厅1998年将DOP列入“可能导致内分泌紊乱的可疑物质”清单，丹麦、奥地利等国已立法限制DOP在儿童玩具中使用。但无论怎样，寻求替代品才能使这个问题得到最终解决。
采用溴代联苯醚类阻燃剂的阻燃高分子材料被怀疑燃烧时有可能释放苯并二噁英、苯并呋喃等致癌物质也使无卤阻燃剂的开发逐渐升温。PVC树脂燃烧发烟量较高，抑烟性成为提高PVC制品消防安全性能的关键因素。在开发阻燃剂的同时，抑烟剂的开发也同样具有重要意义。
酚类抗氧剂BHT分子量低、易挥发和萃取，近年来更是出现了致癌性的报道。以维生素E为基础的系列产品大大缓解了BHT所带来的压力。该系列产品是将维生素E与亚磷酸酯、甘油、聚乙二醇、高孔率树脂载体等组分配合而成的固体。基于人们对卫生安全和生态保护意识的进一步增强，这类“绿色”助剂将具有广阔的市场潜力和环保价值。

3．新型助剂
在传统助剂的基础上，研究者们根据功能性和经济性的需要，以基础理论为先导，结合最新研制的技术成果，辅以各种加工工艺，试制了各种各样的新型助剂。这些助剂相比传统型助剂，或者技术含量大大提高，性能有了质的飞跃；或者从无到有，成为一类新型的助剂品种。这一切使得助剂行业呈现出了“百花开放、百家争鸣”的态势。
3．1 晶型改质剂（成核剂）
提到晶型改质剂，人们很容易就想到成核剂、透明剂，再想到聚丙烯成核透明剂。成核透明剂仅是晶型改质剂的一种。晶型改质也并非聚丙烯的专利。凡结晶性聚合物均可添加晶型改质剂调节树脂的结晶行为。
晶型改质剂加入到聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚醚等结晶性聚合物中，改变树脂的结晶行为，加快结晶速度，增加结晶密度和促使晶粒尺寸微细化，缩短成型周期，或全面或部分提高制品透明性、表面光泽、拉伸强度、刚性、热变形温度等物理机械性能。
就聚丙烯树脂而言，目前工业化应用的晶型改质剂品种有超细无机二氧化硅粒子、苯甲酸盐、二苯亚甲基山梨糖醇及其衍生物和芳基磷酸酯盐类化合物等。这些均为α晶型成核剂，可通过诱导引发聚丙烯树脂以α晶型结晶，改善其力学、光学和热性能。根据应用目的的不同，又区分为透明剂（增透剂）、增刚剂、增光剂等。聚丙烯是一种半结晶型聚合物，可形成α、β、γ、δ和拟六方态等五种结晶形态，其结晶形态决定了其宏观物理机械性能。通常商品化聚丙烯呈α晶型，最稳定，具有良好的综合性能，但抗冲击性能较差。β晶型聚丙烯除保持了α晶型良好的综合性能外，还具有良好韧性，其断裂伸长率、抗缺口冲击强度可较α晶型高数倍。但β晶型在热力学上是一种不很稳定的在通常条件下难以获得和保持的晶型。由于β晶型能同时使聚丙烯的冲击强度与热变形温度的提高达到统一，并赋予制品高气孔率，β晶型成核剂一经出现就受到了极大关注。因此，相对于传统的成核剂，也称它为晶型改质剂。
北京燕化树脂所采用稀土类晶型改质剂WBG-4做了均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的性能对比（表5），结果表明，冲击强度与热变形温度这两项参数均得到了明显提升。WXD图显示加入稀土类晶型改质剂WBG-4后，聚丙烯的β晶型比例占总结晶部分的95%以上。而且，经过多次热历程后，β晶型比例变化不大。
表5 燕化WBG-4成核剂对聚丙烯性能的影响
性能
均聚丙烯
均聚丙烯0.6％
共聚丙烯
共聚丙烯0.6％
拉伸强度，MPa
34.5
34.0
24.7
22.8
伸长率，％
580
554
656
480
冲击强度
23℃,J/M
1.2
1.8
37.0
36.0
-23℃,J/M
4.7
8.7
11.9
20.3
弯曲模量，MPa
1387
1404
967
1086
HDT(0.46 MPa)，℃
81.6
127.7
85.4
118.2
硬度，R
102.9
93.1
88.6
71.0
目前国内外从事晶型改质剂研究的单位不少，很多文献报导都涉及了聚丙烯β晶型成核剂，但更应值得关注的是高比例β晶型稳定存在的聚丙烯商品化的切入点在哪里。
聚丙烯的结晶改性成为研究热点已是不争的事实，但是工程塑料需用的晶型改质剂在国内几乎是空白。国外很多改性工程塑料的说明书明示已添加成核剂，而国内绝大多数工程塑料树脂仍沿用了纤维级树脂的习惯。如PET、PA6、PA66等树脂几乎没有添加成核剂的品种。工程塑料（聚酯、聚酰胺等）的专用晶型改质剂（成核剂）的合成与应用急待开发。
聚丙烯用成核剂能否引入工程塑料，值得深入研究。国外有相关专利文献报导，国内很少有人从事此类研究。

3．2 表面处理剂
填充改性是塑料改性的重要手段之一，刚性和韧性是塑料制品两个重要性能指标，如何保证塑料制品同时具有良好的刚性和韧性，是长期以来材料科学研究的重要课题之一。在塑料中加入各种填料（碳酸钙、滑石粉、硅灰石、云母以及纤维等）可以降低成本，提高材料刚性、硬度、耐热性，以及制品的尺寸稳定性和耐蠕变等；而且还可以赋予材料特殊的性能或功能。但塑料与填料极性差异大，相容性不好，造成填料在树脂中不易均匀分散，界面粘结力低，导致材料的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率不提高，反而降低。
20世纪八十年代以来，无机刚性粒子增韧理论和界面诱导理论的出现和发展，彻底改变了只有添加弹性体才能提高材料韧性的传统观念。改变了以往填充改性塑料必须以牺牲某种力学性能为代价，改性塑料的力学性能随填充量的增加而下降的情况，使CaCO3等传统意义的无机填料变成可显著提高塑料性能的一种功能性材料。利用丰富的CaCO3资源，在无机刚性粒子增韧理论和界面诱导理论的指导下，通过采用先进的表面活化处理技术和共混技术，对CaCO3/聚烯烃复合材料的发展起到了重要的作用。近年来，国内外关于这方面的技术成果和产品应用成果不断涌现。中科院化学所、清华大学等单位技术成果处于国际先进或领先的地位，但主要是在聚烯烃、工程塑料体系开展工作。相对而言，在PVC塑料应用中，无机刚性粒子增韧技术：不论是应用研究还是产品技术，不如聚烯烃塑料活跃。事实上，几乎所有PVC制品（透明制品除外）都使用碳酸钙复合体系，其用量是几份到几十份数量不等，有的品种制品使用量甚至多达基体树脂的1-2倍。如果有关CaCO3的改性技术能进一步提升，则可改善提高制品性能，或在保证用户使用性能前提下，进一步提高用量、减少树脂的用量，带来明显的经济、社会效益。
提高填充改性效果的技术关键之一是无机粉体的表面处理技术。目前应用最多的是偶联剂活化技术。偶联剂的工业品种众多，主要有硅烷类、钛酸酯、铝酸酯、铝钛复合酯、磷酸酯、硼酸酯等偶联剂。偶联剂通常都是两亲性物质，其中一些基团与填料表面吸附或与表面的结合水或-OH反应。另一些基团（或长链）与高聚物基体缠绕，提高无机填料与基材树脂的相容性，改善其在基体中的分散性和界面粘结力。但因有机偶联剂的有机链段短，与基体作用小，对材料力学性能的提高有限，满足不了目前市场上迫切要求提高改善制品性能，进一步降低成本的发展需要。人们希望能有一种新型结构的偶联剂除能保持传统偶联剂的双亲结构外，还能以更强的结合力与填料和基础树脂键合、缔合或形成其它形式的物理作用。稀土元素的结构特点恰能满足这种需求。
稀土元素独特的外电子层结构决定了其化合物具有很多奇特的功能。稀土元素的外电子层结构有着较多的未被电子填充的空轨道，可作为中心离子接受配位体的孤对电子，同时稀土金属离子有较大的离子半径，与无机或有机配位体主要通过静电引力形成离子配键，作为混合物的中心原子，常以d2sp3、d4sp3 、f3d5sp3等多种杂化形式形成配位为6~12的混合物。稀土离子是典型的硬阳离子，即是不易极化变形的离子，它们与金属碱的配位原子如氧的络合能力很强。稀土化合物对某些无机盐类填料，例如CaCO3的偶联作用即是因此“亲氧”的功能所致。同时，稀土离子有可能与高分子材料的某些结构链段或某些元素形成配位结合。例如稀土阳离子Reδ+与PVC链上的氯原子Clδ-之间存在强配位作用，一方面有利于剪切力的传递，从而有效地加速PVC的凝胶化，另一方面减少脱HCl机率，有利于热稳定作用。
国内一些科研院所和生产单位结合，成功的开发出无机填料表面改性用稀土类偶联剂，此类偶联剂已在PVC化学建材、聚烯烃薄膜、阻燃工程塑料等领域得到初步应用。还有的企业利用稀土化合物与无机粉体相结合，开发出一系列功能性添加剂。
广东炜林纳公司针对PVC应用体系，利用稀土元素与有机配体合成一种具增韧偶联、多功能特性的新型改性剂，与无机粉体CaCO3等，通过“核-壳”包裹技术开发出新型表面处理剂。该产品可用作PVC用无机刚性粒子增韧剂，具多功能性，对PVC或PVC/ CaCO3填充体系具有独特的致廉增效改性作用，已在工业上应用。

3．3 接枝高聚物、特种共聚物作相容剂
高分子共混是进行材料改性的最简单易行的手段。相容剂就是伴随这种处理方式而产生的。所谓相容剂就是能使共混的两种树脂在加工熔融过程中，在其帮助下能形成热力学相容状态，从而结合几种共混材料的优点，实现高性能化和功能化。
相容剂一般为接枝高聚物或特种共聚物，即将两种性能差异较大的分子链段用化学方法结合在一起，分子链段性能差异越大，其相容效果就越好。如将极性的马来酸酐接枝在聚烯烃大分子链上，对于PP／PA合金就有良好的相容作用。
相容剂的技术难点不在于其分子结构设计，主要是其合成方法，涉及到高效的设备和优良的工艺。目前，比较典型的制备技术有反应挤出法、二次引发（剂）法、大分子性单体合成法、大分子端基反应法和一般的高分子共聚合法等。
反应挤出法是以挤出机为反应器通过在非极性高分子中添加各种如马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯等极性乙烯基单体和必要的自由基引发剂，使之接枝在熔融状态下的高分子主链上的方法。该方法可以利用挤出机的传热和混合混炼的特征，具有制备灵活快捷、材料成本低和无溶剂污染等优点，是最为常用的方法。但由于反应时间有限，制备出的相容剂往往含有较多的未反应单体或残留引发剂，接枝率较低。
二次引发（剂）法是日本油脂公司开发的技术[3]。即在低温下将接枝单体和低温引发剂含浸在高分子基体中，然后升温引发聚合，生成以过氧化碳酸酯—C(O)OO—基团为侧基的共聚物。这种方法接枝率高、接枝效率高、接枝组成和接枝量易调节。该公司开发的Modiper A系列相容剂不仅可用于通用型塑料的高分子合金，而且可用于工程塑料的高分子合金体系。
日本东亚合成化学公司通过采用含有苯乙烯、MMA、AN或硅烷等链段的大分子型单体，和其他低分子单体共聚的方法建立了大分子型单体合成方法制备相容剂的工业化技术[4]。该方法的优点是对主链和侧链的分子结构、分子量易于调整和设计。
大分子端基反应法中比较典型的是日本KURARAY公司的2嵌段相容剂制备方法[5]。该公司主要生产聚乙烯醇产品，其生产的双嵌段共聚物可以由聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、EVA、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等组合，嵌段分子量完全可调，特别是对天然高分子等有良好的相容性。
至今为止，高分子相容剂是以界面活性剂的概念为基础发展起来的，主要目的是通过对两种或两种以上具有不同性质的高分子共混体系的微观相态结构起到调整和控制作用，以提高其材料的性能，从机能特征角度可以将其概括为结构型相容剂。目前这类相容剂在应用中还存在着制备成本高、作用效率低、兼容性差等问题，而且对某些特殊高分子材料体系，至今还没有发现作用效果好的相容剂种类。
今后的相容剂的发展必然要以全面迎合和促进高分子材料日新月异的进步为目标，从结构型相容剂向功能型相容剂、兼容型相容剂、高效型相容剂和特征相容剂等方向转变。从广义上，高分子材料制备技术所能涉及的复合（分散）相尺度已从微米时代进入到纳米时代，而且高分子分子设计、材料性能与结构设计、工艺设计等方面的理论与实践的进步，将使相容剂在发展方向上的转变成为历史之必然。
而对高分子相容剂最具有现实意义的是人们对兼容型相容剂发展的渴求。由于高分子材料废弃物的年年增加，其回收再利用问题将变得日益严峻，而兼容型相容剂将对该技术的实现产生至关重要的影响。兼容型相容剂的意义之一，就是对多种高分子材料的相容性进行兼容，使多种高分子材料不经分类或经简单分类就可通过熔融共混而产生再利用的价值；而其另一个意义是对多种高分子材料和无机物（污染在废材料表面上的灰尘或在废材料中添加的无机填充剂）的相容性进行兼容，使多种高分子材料不经分类、不经洗净或经简单洗净就可通过熔融共混而产生再利用的价值。目前，这两类兼容型相容剂已经有一定的生产，但其兼容性的广度还需大大改进。

3．4 纳米粉体／纤维粉体
无机粉体的超细化技术派生出两个分支，一是无机粉体粒度的纳米化，二是无机粉体向增强纤维方向发展。
各种纳米技术使无机粉体纳米化成为现实，各种纳米无机粉体/聚合物复合材料研究成果的问世使纳米无机粉体进入了功能添加剂行列，而不再仅仅是超细化的无机填充剂。
镁盐晶须、类纤维状硅灰石的工业化生产，拓宽了应用领域，自身功能得到提升。
中科院漆宗能教授以纳米无机相材料蒙脱土为填充材料，采用插层复合技术制备了具有高强度和耐热性、高阻隔和自熄性的纳米复合材料，如尼龙6纳米塑料、PET纳米塑料、超高分子量聚乙烯粘土纳米复合材料、纳米无规共聚聚丙烯、纳米聚乙烯高阻隔膜等，经测试，性能均大大高于一般填充材料，且某些性能极为突出。目前，已有部分产品实现了工业化。
四川大学的黄锐教授采用熔融共混法制备聚合物／纳米无机粒子复合材料，通过对聚合物／弹性体／纳米无机粒子的三元复合体系的工艺研究，提出了“沙袋结构”的增韧机理并验证了增韧体系符合逾渗规律，对复合体系的脆韧转变实现了定量化。
北京至柔科技发展有限公司将木粉、天然纤维和塑料进行复合，开发出了各类复合产品，如地板、托盘、椅子、型材等，可应用于建材、运输、装饰、公共设施等多个方面，不仅价格低廉，而且还具有绿色环保价值，符合当今材料的发展趋势。

3．5 抗菌抑菌
塑料用抗菌剂可抑制塑料表面的细菌（特别是病菌）繁衍，防止其对人体的交叉感染。近年来，随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，应用抗菌剂开发出抗菌材料和抗菌制品越来越多，产品带有“抗菌卫生”的自洁功能。
塑料抗菌剂具有高效、广谱的抗菌性能，抗菌持续性好，无毒无异味，对制品和环境无污染，同塑料相容性、配伍性好，有良好的化学、热稳定性。分为无机、有机、天然、高分子抗菌剂等四大类。虽然抗菌剂数量很大，但只有为数不多的抗菌剂能满足抗菌塑料及其制品的加工和使用要求。
无机抗菌剂使抗菌塑料中应用最广泛、市场潜力最大的新型抗菌剂，多以沸石、硅灰石、绿泥石、陶土、陶瓷、不溶性碘酸盐、可溶性玻璃等物质作载体负载银等金属离子制成抗菌剂，抗菌广谱，耐热温度高、长效、安全，在抗菌材料中应用优势明显，是最有发展前途的塑料、化纤、陶瓷用抗菌剂。采用硅砂、磷酸盐、硼酸盐、碳酸钠和金属盐抗菌成分熔融制成的含氧化银和氧化铜的可溶性玻璃，将其制成粉末或玻璃微珠即得玻璃基抗菌剂。该抗菌剂可缓慢释放Ag+，对大肠杆菌的最低抑菌浓度为105×10-6，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为300×10-6，对绿脓杆菌的最低抑菌浓度为150×10-6。
有机抗菌剂主要有卤化物、有机锡、异噻唑、吡啶金属盐、噻苯咪唑、噁唑酮、醛类化合物、季胺盐类等。有机抗菌剂的杀菌作用强，防霉效果优于无机抗菌剂，用量少，一般在10-3～10-4级就具有明显的抗菌效果。但有机抗菌剂的耐热性差，时效较短，长时间使用会导致微生物产生耐药性。
天然抗菌剂，如壳聚糖、桧醇、辣根、江南竹油等，质量稳定性较差，制备较困难，开发应用进展缓慢。壳聚糖是目前唯一的天然碱性多糖，抗菌作用很强，对大肠杆菌的最低抑菌浓度为20×10-6，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为20×10-6，对肺炎杆菌的最低抑菌浓度为700×10-6，对根头癌肿病菌的最低抑菌浓度为100×10-6，对灰曲霉的最低抑菌浓度为10×10-6，是最有前途的天然抗菌剂。
高分子抗菌剂就是将抗菌基团接在高分子链上，使之具有良好的相容性和加工性，这种抗菌剂很有潜力，但目前开发和应用方面尚处于起步阶段。

3．6 抗静电剂
目前工业上实用的抗静电剂主要是一些非离子、离子型表面活性剂的单一化合物或复配物。抗静电原理是利用其亲水基在塑料表面吸收空气中的水汽，或在表面排列形成一个导电层，或依靠质子的传递来降低表面电阻值。在包装材料中，抗静电剂的性能好坏的判定不仅要考察其抗静电效果，还要关注它对于制品性能的影响。正因如此，抗静电剂开发的技术关键集中在各类表面活性剂的结构设计和配伍性的考察。
当前，开发系列化、专用化的产品是抗静电剂的一个重要发展方向。如：日本的大日精华公司开发的ELECON系列抗静电剂，其中100型适用于聚苯乙烯（PS），300型适用于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），400型则对聚氯乙烯（PVC）有很好的抗静电效果。国内则有以杭州市化工研究院、北京市化工研究院为代表的研发和生产单位，开发系列产品。其中，北京市化工研究院开发研制的ASA、AB、ASP等系列抗静电剂突出了专用性，在抗静电性的快速发挥、长期持效性以及均衡性、耐热性等方面各有所长，应用效果优良（见表6）。
表6 北京市化工研究院系列抗静电剂产品
用途
ASA
AB
ASP
聚烯烃
ASA-40、51
AB-33
ASP-2
PVC、PU
ASA-150、156
-
-
特点
快速型
长效型
均衡、耐热型
北京市化工研究院利用硼元素具有一定的电负性（2.01），在硼氧化合物中的硼氧键，具有相当高的键能（B－O＝561~804kJ/mol），合成了硼系列表面活性剂。硼的价电子构型为2个2s电子和1个2p电子，通常形成sp2杂化轨道。因此，硼酸酯化合物中由三个B-O键构成平面结构。但在硼酸双多元醇酯结构中，未杂化的2p空轨道易接受分子内游离羟基中的氧原子上的孤对电子构成配位键，诱导硼原子的价电子构型变为热力学稳定的sp3杂化轨道，呈正四面体构造。
实验表明，硼酸双多元醇酯分子内的羟基不是游离的，而是与硼原子间形成半极性结合。硼酸双多元醇酯及其水溶液的红外谱图表明，羟基的特征峰无差别，均位于830cm-1或840cm-1。但硼酸双多元醇酯乙醇溶液的红外谱图证明，由于乙醇的溶剂效应，羟基的特征峰移至游离羟基的特征峰860cm-1。上述实验事实，说明了硼与羟基的半极性结合。实验同样证明，硼酸双多元醇酯的水溶液呈酸性。硼酸双多元醇酯及其氢氧化钠中和物的红外谱图对比表明，原本硼酸双多元醇酯谱图中明显出现的羟基特征峰，在硼酸双多元醇酯氢氧化钠中和物谱图中消失。
硼酸双多元醇酯的半极性并不足以使其成为完全意义的塑料抗静电剂。硼酸双多元醇酯的半极性和其分子中的其他游离羟基提高了其亲水性（抗静电性），降低了湿度依赖性。但是，在其结构中不存在长碳脂肪链（亲油基），与聚烯烃的相容性较差。因此，通常在硼酸双多元醇酯上再反应连接一个或二个长碳（C8~35）脂肪链或将硼酸双多元醇酯与环氧乙烷加成后再反应连接一个或二个长碳（C8~35）脂肪链，以达到亲水亲油平衡，构成完整的表面活性剂。
将此类表面活性剂用在抗静电方面，具有优异的抗静电性能。其抗静电应用性能见表7、8所示。
表7 PP片表面电阻率

24hr(25℃，RH58％)
一周（26℃，RH60％）
一月（26℃，RH55％）
PP空白(T36F)
2.3×1015
1.2×1015
1.0×1015
含硼抗静电剂
(含量0.6%)
1.3×1011
1.2×1010
4.2×1010