Зернистый наполнитель композиционных материалов

Среди естественных наполнителей отметим мел, каолин, тальк и др.

Мел СаС0₃ представляет собой мягкий минерал белого цвета, твердостью 3 по шкале Мооса. Данный минерал – осадочная гор­ная порода, представляет собой очень распространенное природ­ное вещество. Мел дешев, запасы его практически неограничен­ны, он нетоксичен, безвреден, не имеет запаха, это тонкозерни­стая разновидность известняка. При нагреве до 800 °С мел разлага­ется, выделяя углекислый газ и образуя известь.

Мел используется для наполнения полимеров. Введение мела сокращает расход полимеров и уменьшает усадку КМ в процессе его формования и отверждения. Мел имеет минимальный усили­вающий эффект по сравнению с другими наполнителями. По по­казателю преломления света мел близок к большинству полиме­ров. Поэтому при введении мела можно получать оптически одно­родные пластмассы практически любого цвета. Для получения пластмасс белого цвета к мелу добавляют диоксид титана, а чер­ный цвет получают путем добавки технического углерода. Наибо­лее широко мел используется для наполнения фенолформальдегидных, эпоксидных и полиэфирных полимеров.

Каолин имеет химическую формулу А1₂0₃·SiO₂·2Н₂0, его час­тицы имеют форму гексагональных пластинок. Он находит широ­кое применение как наполнитель полимеров, главным образом, полиэфирных. Введение каолина повышает физико-механические характеристики и модуль упругости наполненных им полимеров. Недостатком каолина является его плохая диспергируемость в полимерах, его введение резко повышает вязкость полимера.

Тальк – вещество с химической формулой 3MgO·4SiO₂·Н₂0, представляет собой белый порошок с пластинчатыми частицами, твердость которых 1 по шкале Мооса (самая высокая твердость 10 у алмаза). Пластинчатая форма частиц повышает усиливающий эффект талька как наполнителя. Применяют тальк преимуществен­но для наполнения полипропилена и поливинилхлорида.

Нефелин и полевой шпат являются безводными щелочными алюмосиликатами близкого состава. Куски полевого шпата раска­лываются по плоскостям спайности, расположенным под углом 90° одна к другой, поэтому образующиеся частицы имеют форму блоков и прямоугольных осколков. Плоскости спайности нефели­на расположены параллельно одна другой, поэтому при измель­чении его частицы состоят из пластинок неправильной формы. Полевой шпат и нефелин безвредны для здоровья даже при попа­дании их пылевых частиц при дыхании внутрь.

Нефелин и полевой шпат хорошо смачиваются и диспергиру­ются в большинстве полимеров, обеспечивая низкую вязкость и высокую текучесть при высоких степенях заполнения. Наполнен­ные ими полимеры прозрачны или полупрозрачны, обладают по­вышенной химической стойкостью и износостойкостью. Нефели­ном и полевым шпатом чаще усиливают поливинилхлорид и по­лиэфирные смолы.

Кварц в виде порошка получают путем измельчения кварцево­го песка до зерен диаметром не более 150 мкм. На долю кварца приходится около 10% общего объема используемых порошковых наполнителей для полимеров. Введение кварцевого порошка умень­шает усадку полимеров и тем самым повышает стабильность раз­меров изделий из КМ. Кварцевый наполнитель повышает физико-механические свойства наполненных им полимеров и поэтому ис­пользуется в технологии КМ конструкционного назначения.

В числе наполнителей искусствен­ного происхождения порошкообразные металлы, технический углерод, аэросил, микросферы, технические алмазы, кубический нитрид бора.

Порошкообразные металлы широко используют в качестве на­полнителя, особенно следует отметить намного большее, чем в промышленности пластмасс, потребление порошкообразных ме­таллов в порошковой металлургии. Только в некоторых случаях порошки металлов выпускаются специально для использования в качестве наполнителя полимеров.

Порошки железа производят распылением расплавленных ста­ли или чугуна водяной струей под высоким давлением. Высокока­чественные порошки получают при электролизе растворов солей железа, а также при разложении карбонила железа.

Для получения порошков меди, никеля и кобальта используют методы воздушного распыления расплавов, электролиза соответ­ствующих солей или их восстановления водородом при высоких температурах и давлении. Расплавы свинца и цинка легко распы­ляются с образованием очень мелких частиц. Порошки циркония, гафния и титана получают из гидридов соответствующих метал­лов. При производстве порошков алюминия и его сплавов круп­ные куски обычно сначала дробят в молотковых дробилках, а за­тем измельчают в шаровых или вибрационных мельницах.

Мелкие порошки с частицами сферической формы получают путем распыления расплавов сильным воздушным потоком. По гранулометрическому составу различают порошки крупной (от 0,2 мм и менее), средней (от 0,1 мм и менее) и мелкой (от 0,05 мм и менее) фракций. Насыпная масса порошков находится в преде­лах 1,3–3,0 г/см³.

Технический углерод – это техническое название сажи. Сажа представляет собой порошкообразный продукт черного цвета, получаемый при неполном сгорании или термическом разложе­нии углеводородов. Применение сажи в качестве черного крася­щего вещества известно с глубокой древности. Сажу использовали для изготовления черной туши, которой написаны старинные китайские манускрипты, относящиеся к 4 тысячелетию до н.э. В Древнем Египте папирусы исполняли черными чернилами, из­готовленными на основе сажи.

Технический углерод состоит из частиц сферической формы, диаметр которых менее 50 нм. Частицы образуют более или менее разветвленные цепочки. Свойства технического углерода опреде­ляются, главным образом, двумя характеристиками: удельной поверхностью, которая зависит от размера дисперсных частиц, и степенью структурированности дисперсных частиц углерода в це­почки. Оба этих параметра зависят от технологических параметров процесса пиролиза.

Свыше 90% технического углерода в настоящее время получа­ют печным способом: нефть впрыскивают в реактор с горячими продуктами сгорания топлив, где она термически разлагается с образованием дисперсных частиц технического углерода. Большую часть полученного продукта подвергают гранулированию для удоб­ства транспортирования, хранения и использования техническо­го углерода. Кроме печного в меньших масштабах используют так­же другие способы получения сажи: канальный, термический, ламповый, ацетиленовый.

Около 95% технического углерода расходуется на нужды ре­зинотехнической промышленности и только менее 5% техни­ческого углерода используется в качестве наполнителя полиме­ров, при этом обеспечивается их экономия. Кроме того, техни­ческий углерод повышает устойчивость полимеров к воздействию теплоты и УФ-излучения, улучшает их перерабатываемость, а также позволяет изменять электрическую проводность полиме­ров. Технический углерод часто используется для окраски поли­меров, придавая им непрозрачность при очень малых концент­рациях/

Аэросил представляет собой дисперсные частицы диоксида крем­ния сферической формы диаметром до 10 нм, иногда этот мате­риал называют «белой сажей». Получают аэросил гидролизом хло­рида кремния в токе кислородно-водородного пламени. Аэросил не токсичен, безвреден, даже при больших концентрациях не вы­зывает силикоз.

Аэросил применяют для наполнения резин и полимеров. Он хорошо диспергируется в большинстве полимеров, однако сни­жает их жидкотекучесть.

Микросферы являются сферическими стеклянными частицами диаметром до 700 мкм. Получают микросферы путем распыления расплава стекла. Преимущества микросфер в качестве наполните­ля определяются их формой. Сферическая форма частиц обеспе­чивает минимальную вязкость полимеров в процессе получения КМ. Кроме того, сферическая форма частиц стекла обеспечивает их низкую абразивность, что значительно облегчает процессы пе­реработки КМ из микросфер.

Введение микросфер в полимеры повышает физико-механи­ческие характеристики и твердость полученных КМ, увеличивает их износостойкость, водостойкость, коррозионную стойкость, вяз­кость разрушения и уменьшает их горючесть. Кроме того, введе­ние микросфер снижает усадку и коробление изделий. Наилуч­ший усиливающий эффект достигается при оптимальном сочета­нии микросфер с волокнистым наполнителем.

Около 80% производимых микросфер используется для полу­чения светоотражающих материалов.

Наряду со сплошными применение нашли полые стеклянные микросферы, основным преимуществом которых является низкая плотность, не превышающая 0,7 г/см³. Наиболее широко исполь­зуются полые стеклянные микросферы со средним диаметром 75 мкм и плотностью 0,3 г/см³. Большую часть полых микросфер применяют в качестве наполнителя полиэфирных и эпоксидных заливочных компаундов. Сферическая форма стеклянной оболоч­ки полых микросфер позволяет ей выдерживать гидростатическое давление более 1000 МПа. Введение полых стеклянных микро­сфер в состав стеклопластиков увеличивает их жесткость и удар­ную вязкость. Особенно эффективным является использование полых микросфер в производстве искусственной древесины, не­отличимой от натуральной.

Полые стеклянные микросферы получают в результате про­пускания мелких стеклянных частиц, содержащих порофор, через высокотемпературную зону реактора. Частицы при этом плавятся или размягчаются, а порофор разлагается и формирует полость внутри частицы.

Используя аналогичный технологический принцип, получают полые органические и углеродные микросферы.

Интересным направлением утилизации дымовых выбросов яв­ляется улавливание из них полых и сплошных керамических мик­росфер. Одновременно с защитой окружающей среды от загрязне­ний данный способ обеспечивает получение важного техническо­го продукта при крайне низких экономических затратах.

Основным направлением использования полых микросфер раз­ной природы является введение их в эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые композиции с получением так называемых синтактических пен. При равной плотности синтактические пены значительно прочнее пенопластов, получаемых путем вспенива­ния жидких полимеров.

Природные и искусственные вещества, обладающие высокой твердостью, используют в качестве наполнителя абразивных ма­териалов. Абразивные материалы предназначены для шлифования и полирования самых разных материалов. Эти операции осуществ­ляются абразивным порошком в свободном состоянии, пастами, в состав которых кроме абразивного порошка входят вязкие сма­зывающие вещества, и абразивным инструментом. Абразивный инструмент выполнен из КМ, изготовленного в виде кругов, брус­ков и шкурки. В таком КМ зерна соединены абразивным наполни­телем металлической, полимерной или керамической матрицы. Наибольшее применение в металлообработке получили карбид бора, корунд, карборунд и сверхтвердые материалы – алмаз и кубический нитрид бора. Их абразивную способность оценивают по массе сошлифованного эталонного материала, в качестве ко­торого используют неорганическое стекло, при одинаковом рас­ходе абразива.

Абразивостойкие изделия из карбида бора получают путем вы­сокотемпературного прессования под высоким давлением (филь­еры, сопла пескоструйных аппаратов, деталей буровых инстру­ментов и др.).

Путем спекания порошка корунда получают так называемый микролит в форме резцовых пластин, фильер и других готовых к использованию изделий. Красностойкость микролита 1200 °С. По износостойкости режущий инструмент из микролита в 2 раза пре­восходит твердосплавный инструмент, а износостойкость микро-литовых фильер в десятки раз выше стойкости металлических фильер.

Абразивный инструмент с наполнителем из карборунда при­меняют для обработки чугуна, цветных металлов и неметалличес­ких материалов, а также обработки самих инструментов из твер­дых сплавов и керамики, правки шлифовальных кругов.

Алмаз –материал, имеющий наибольшую твердость среди всех природных веществ, шлифуется только собственным порошком. Разработано искусственное получение алмазов из графита при температуре 2000 °С и давлении 5300 МПа. Образующиеся мелкие кристаллы применяют для изготовления режущих инструментов. Около 80% производимых технических алмазов используется в качестве наполнителя КМ инструментального назначения. По круп­ности зерна алмазные порошки делят на три группы:

• шлифпорошки с размером зерна выше 50 мкм (контроль раз­мера зерен осуществляется методом ситового рассева);

• микропорошки с размером зерен менее 50 мкм (размер зерен контролируют с помощью оптического микроскопа);

• субмикропорошки с размером зерен менее 1 мкм (для конт­роля размера зерен используют электронный микроскоп).

Шлифпорошки используют для изготовления инструмента на органической, керамической или металлической связке для осо­бо тяжелых условий обработки: резки и обработки железобетона, бурения горных пород, а также правки абразивных кругов и твер­досплавного инструмента.

Микропорошки используют для изготовления инструмента, шлифовальных паст и суспензий. Инструмент рекомендуют для обработки стекла и других хрупких материалов. Порошки исполь­зуют при обработке алмазов, корунда, специальной керамики и других труднообрабатываемых и особо твердых материалов.

Субмикропорошки используют для получения максимального класса чистоты обработки поверхности полупроводниковых мате­риалов и специальных зеркал для лазерной техники.

Кубический нитрид бора является кристаллографическим ана­логом углерода, электронные свойства химической связи атомов В–N во многом схожи со связью между атомами углерода С–С. Свойства нитрида бора с тетраэдрической ячейкой кристалли­ческой решетки схожи со свойствами алмаза. Кубический нитрид бора также имеет высокую твердость, лишь немногим уступая алмазу. Однако, в отличие от алмаза, он абсолютно инертен к окислительным средам как при нормальных, так и повышенных температурах. Кубический нитрид бора сохраняет высокую твер­дость при повышенных температурах, его красностойкость состав­ляет 1500 °С. Отмеченные отличия дают кубическому нитриду бора определенные преимущества при использовании в качестве абра­зивного материала.

Кубический нитрид бора получают искусственно по техноло­гии, аналогичной производству синтетических алмазов. Под воз­действием высоких температур и давлений гексагональная крис­таллическая решетка нитрида бора превращается в кубическую кристаллическую решетку с тетрагональной ячейкой. Кубический нитрид бора, как и алмаз, получается в виде отдельных зерен. Полученный порошок используют в производстве КМ в составе шлифовальных и отрезных кругов на органической, керамичес­кой или металлической связке.