Материалы с дисперсными наполнителями

Дисперсные наполнители - наиболее распространенный вид наполнителей ПКМ в качестве которых выступают разнообразные вещества органической и неорганической природы. Одним из основных назначений дисперсных наполнителей является снижение стоимости композиций. В основном это порошкообразные вещества с различным размером частиц - от 2-10 до 200-300 мкм. Обычно размер частиц не превышает 40 мкм, однако в последнее время используются частицы размером менее 1 мкм для создания нанокомпозитов. Содержание дисперсных наполнителей в ПКМ меняется в широких пределах - от нескольких процентов до 70-80%. Такие ПКМ, как правило, изотропны, однако асимметрическая форма частиц при условии заметной ориентации в процессах переработки может приводить к возникновению некоторой анизотропии свойств - последняя более характерна для волокнистых наполнителей.К числу важнейших требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка).Кроме того, тип связующего предъявляет также определенные требования к наполнителю. Так, при наполнении реактопластов наполнители могут оказывать каталитическое действие на процесс отверждения связующего, а при наполнении термопластов желательно, чтобы частицы наполнителя имели шероховатую поверхность для лучшего сцепления с матрицей.Для улучшения смачивания наполнителя полимером, улучшения адгезии, снижения склонности частиц к агломерации поверхность порошкообразных наполнителей часто обрабатывают поверхностно-активными веществами. Улучшению адгезии на поверхности раздела «наполнитель-полимер» могут способствовать также реакционно-способные функциональные группы, имеющиеся в наполнителе или специально сформированные.

Карбонат кальция (мел, CaCO3) - один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. Основной источник - природный известняк, подвергнутый измельчению, флотации для удаления примесей и фракционированию с получением частиц размерами 1-10 мкм. Получается также путем осаждения в процессах получения карбоната и гидроксида натрия (размер частиц от 0,03 мкм до 10 мкм с малым разбросом по размерам). К преимуществам этого наполнителя - относится белый цвет, низкая твердость, широкий интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в широком интервале температур. Для улучшения реологических свойств и смачивания поверхность мела часто обрабатывают стеариновой кислотой, стеаратом кальция или аппретами, что способствует также лучшему распределению частиц мела в матрице полимера. В качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе ПВХ (в жестких и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препеги).

Каолин (белая глина - гидратированный силикат алюминия) - получается из минерала каолинита путем его измельчения. Используется двух видов — очищенный и прокаленный, у которого удалена гидратационная вода. Частицы каолина имеют структуру пластинчатых чешуек, отличаются высокой степенью белизны; они плохо диспергируются в большинстве полимеров. Из-за большой величины площади поверхности введение каолина способствует значительному повышению вязкости. Для повышения способности к диспергированию и достижения максимального упрочняющего эффекта поверхность частиц обрабатывают модифицирующими агентами (например, ПАВ). Каолин применяется при наполнении термопластов для придания повышенных значений модуля упругости при растяжении, а также для улучшения электрических свойств; в производстве армированных волокнами пластиков на полиэфирных связующих для повышения вязкости (размер частиц менее 40 мкм), а также для повышения объемного электрического сопротивления и водостойкости (прокаленный каолин, связующее - фенолформальдегидный олигомер).

Тальк (гидратированный силикат магния) - получается из ряда природных пород путем обогащения, дробления, измельчения (тонкого помола) и фракционирования. Представляет собой тонкоизмельченный порошок белого цвета с пластинчатыми частицами различного размера (от 10 мкм до 70 мкм). Благодаря пластинчатой форме частиц тальк придает наполненным материалам повышенную жесткость - при одинаковой степени наполнения (40%) тальк увеличивает жесткость полипропилена в 3 раза, а мел - в 2 раза. Применение талька при правильном подборе дисперсного состава, поверхностной обработки позволяет избежать характерной для наполнения дисперсными частицами снижения стойкости к ударным нагрузкам. Низкая твердость (1 по шкале Моса) снижает абразивный износ при переработке тальконаполненых термопластов. Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.

Кварц (диоксид кремния, SiO2). Существует ряд модификаций диоксида кремния аморфной и кристаллической структуры, используемых в качестве дисперсных наполнителей. Часть из них имеет минеральное происхождение и получается на основе природного сырья (кварцит, трепел, диатомит, новакулит), часть получается синтетическим путем (пирогенетический, осажденный диоксид кремния). Эти модификации отличаются по своему химическому составу, форме и размеру частиц, стоимости, областям применения.

Кварцевая мука представляет собой измельченный кварцит со средним размером частиц от 5 до 150 мкм (чистый кварцевый песок). Из-за относительно высокой твердости характеризуется повышенным износом технологического оборудования. При высоких степенях наполнения повышает хрупкость. Широко применяется для наполнения термопластов конструкционного назначения, а также реактопластов с повышенными механическими и электрическими характеристиками.

Плавленый кварц - аморфный стеклообразный диоксид кремния, получаемый путем измельчения расплавленного в дуговых печах кварцевого песка. Как правило, имеет довольно широкий гранулометрический состав. Характеризуется более низкой плотностью и малым термическим коэффициентом линейного расширения.Используется при получении материалов, стойких к тепловым ударам, обладающих повышенной стабильностью размеров и высокими прочностными показателями.

Микрокристаллический кварц получается из ряда минералов класса трепелов путём измельчения и дробления породы. В зависимости от назначения выпускается в виде фракций с различным размером частиц. Характеризуется высокой белизной, минимальным содержанием примесей, меньшей образованностью по сравнению с другими видами SiO2 и хорошей диспергируемостью в полимере. Находит широкое применение в клеевых составах, в отверждающихся компаундах и герметиках на основе полиуретанов, эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Используется также в качестве наполнителя полипропилена, ПЭТ, ПБТ, полиамидов, полисульфонов и других термопластов. Эти материалы характеризуются более высокой текучестью (при равной степени наполнения по сравнению с другими наполнителями), а также возможностью более высокой степени наполнения.

Диатомит - природный минерал класса опалинов получается путем многостадийного измельчения и фракционирования природной породы осадочного происхождения. В настоящее время наиболее широко используется в качестве добавки, препятствующей слипанию в производстве пленок из полиэтилена низкой плотности.

Осажденный диоксид кремния - аморфная форма порошкообразного SiO2 с частицами коллоидальных размеров, получаемая в ходе химических реакций в водной среде; величина удельной поверхности достигает 150 м2/г. Находит применение в производстве материалов на основе ПВХ - как листовых (антиадгезионная добавка), так и пластизолей (как регулятор вязкости). Позволяет получать прозрачные наполненные термопласты. По сравнению с аэросилом значительно дешевле.

Порошкообразные оксиды металлов (алюминия, железа, свинца, титана, цинка, циркония и др.) а также разнообразные соли (сульфаты, сульфиды, фториды и др.) - находят широкое применение в качестве наполнителей. Однако, как правило, они используются не в массовом порядке, а лишь в отдельных рецептурах для придания тех или иных специальных свойств (химостойкость, теплопроводность, биостойость и т. п.).К числу наиболее распространенных порошкообразных наполнителей органического происхождения относится древесная мука и углеродные материалы (сажа, графит, кокс).

Древесная мука - представляет собой тонкоизмельченную и высушенную древесину волокнистой структуры. Она используется для усиления пластмасс. Изготавливается древесная мука преимущественно из мягкой древесины, в основном из сосны и канадской пихты; если нежелательно присутствие древесной смолы, используется твердая древесина ясеня или клена. Древесина, содержащая значительное количество масел, например кедр, непригодна. Древесная мука изготавливается из опилок, щепы и стружки размолом на жерновой мельнице и внешне она похожа на пшеничную муку.