Наполнитель (материалы) - Filler (materials)

Использование пластика по отраслям

Наполнители - это частицы, добавленные в смолу или связующие ( пластмассы , композиты , бетон ), которые могут улучшить определенные свойства, удешевить продукт, или их смесь. Двумя крупнейшими сегментами использования наполнителей являются эластомеры и пластмассы . Ежегодно во всем мире используется более 53 миллионов тонн наполнителей (на общую сумму около 18 миллиардов долларов США) в таких областях применения, как бумага , пластмассы , резина , краски , покрытия, клеи и герметики . Таким образом, наполнители, производимые более чем 700 компаниями, входят в число основных сырьевых материалов в мире и входят в состав различных товаров для повседневных нужд потребителей. В качестве верхних используемых наполнителей используются измельченный карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (PCC), каолин, тальк и технический углерод. Наполнители могут влиять на прочность на разрыв, ударную вязкость, термостойкость, цвет, прозрачность и т. Д. Хорошим примером этого является добавление талька к полипропилену . Большинство наполнителей, используемых в пластмассах, представляют собой наполнители на минеральной или стеклянной основе. Твердые частицы и волокна являются основными подгруппами наполнителей. Твердые частицы - это маленькие частицы наполнителя, которые смешиваются в матрице, где важны размер и соотношение сторон. Волокна - это небольшие круглые нити, которые могут быть очень длинными и иметь очень высокое соотношение сторон.

Типы

Порошок карбоната кальция CaCO 3 широко используется в качестве наполнителя.

Карбонат кальция (CaCO 3 )

Карбонат кальция, называемый в пластмассовой промышленности «мелом», получают из известняка и мрамора. Он используется во многих областях, включая ПВХ и ненасыщенные полиэфиры. Для изготовления композита можно использовать до 90% CaCO 3 . Эти добавки могут повысить производительность формования за счет снижения скорости охлаждения. Они также могут повышать рабочие температуры материалов и обеспечивать изоляцию электропроводки.

CaCO3 используется в маточной смеси наполнителя в качестве основы с большим процентным содержанием в составе. Порошок карбоната кальция, составляющий 97% состава, придаст белым / непрозрачным продуктам большую белизну. Таким образом, производители могут сократить использование белой маточной смеси. С меньшим процентом порошок карбоната кальция можно использовать для цветных продуктов. Кроме того, это придает готовым изделиям из пластика более яркую и глянцевую поверхность.

Каолин

Каолин в основном используется в пластмассах из-за его антиблокировочных свойств, а также в качестве поглотителя инфракрасного излучения при лазерной маркировке. Повышает ударную вязкость и термостойкость. Метаколинит используется для стабилизации ПВХ. Также было показано, что каолин увеличивает сопротивление истиранию и может заменить технический углерод в качестве наполнителя и улучшить текучесть веществ, армированных стекловолокном.

Гидроксид магния (тальк)

Блок талька.

Тальк , мягкий минерал, обычно более дорогой, чем карбонат кальция . Его получают из слоев гидроксида магния с кремнеземом. В пластмассовой промышленности он используется для упаковки и пищевых продуктов из-за его длительной термостойкости.

Волластонит (CaSiO 3 )

Волластонит имеет игольчатую структуру с относительно высоким удельным весом и высокой твердостью. Этот наполнитель может улучшить содержание влаги, износостойкость , термическую стабильность и высокую диэлектрическую прочность. Волластонит конкурирует с пластинчатыми наполнителями, такими как слюда и тальк, а также может использоваться для замены стекловолокна при создании термопластов и реактопластов.

Стакан

Наполнитель стеклянных микросфер (слева) и волоконные наполнители (справа)

Стеклянные наполнители бывают нескольких видов: стеклянные шарики, короткие стекловолокна , длинные стекловолокна. в пластиках по тоннажу. Стекловолокно используется для повышения механических свойств термопласта или термореактивного материала, таких как модуль упругости при изгибе и предел прочности при растяжении. Добавление стекла в качестве наполнителя обычно не дает экономической выгоды. Некоторыми недостатками наличия стекла в матрице являются низкое качество поверхности, очень вязкая при плавлении, низкая свариваемость и коробление. Стеклянные бусины улучшают абсорбцию масла и повышают химическую стойкость.

Нанонаполнители

Нанонаполнители имеют размер частиц менее 100 нанометров . Они имеют высокое соотношение сторон и в основном используются в качестве устойчивых к царапинам и огнестойких наполнителей. Нанонаполнители можно разделить на три группы: нанопластинки, нановолокна и наночастицы. Наночастицы используются более широко, чем нанопластинки и нановолокна, но нанопластинки начинают все более широко использоваться. Нанопластины похожи на обычные пластинчатые наполнители, такие как тальк и слюда, за исключением того, что их толщина намного меньше. Преимущества добавления нанонаполнителей включают создание газового барьера и их огнезащитные свойства.

Шарики из вспененного полимера

Шарики из вспененного полимера могут иметь объемную плотность всего 0,011 г / см 3 и размер от 45 микрон до более 8 мм. Общие недостатки использования шариков из полимерной пены в составных системах включают ограничения статической, температурной и химической стойкости, а также сложность достижения гомогенной смеси в составе сформулированной системы из-за их чрезвычайно низкой объемной плотности. Однако эти ограничения можно в основном, если не полностью, преодолеть за счет использования модификаций рецептуры, добавок и других видов обработки поверхности. Несмотря на эти потенциальные проблемы, шарики из вспененного полимера могут быть добавлены в составные системы, когда требуется снижение веса или стоимости готового товара.

Наполнитель для кладки

Наполнитель для каменной кладки используется для ремонта трещин и дыр в наружных стенах и обычно изготавливается с использованием цемента и гашеной извести . Производители включают Toupret.

Прочие наполнители

Бетонные наполнители включают гравий , камень, песок и арматуру . Гравий, камень и песок используются для удешевления бетона. Арматура используется для укрепления бетона.

Таблица присадочных материалов и физических свойств
Тип наполнителя Плотность

(г / см 3 )

Твердость по Моосу Средний размер

(Микроны)

Соотношение сторон / форма
Карбонат кальция 2,7 3-4 0,02-30 1-3 Блочный
Тальк 2,7–2,8 1 0,5-20 5-40 Тарелка
Волластонит 2,9 4.5 1-500 5-30 волокна
Слюда 2,8–2,9 2,5-4 5–1000 20-100 пластина
Каолин 2,6 2 0,2-8 10-30 Тарелка
Кремнезем (осажденный) 1.9-2.1 5.5 0,005-0,1 ~ 1 раунд
Черный карбон 1,7–1,9 2-3 0,014-0,25 ~ 1 раунд
Доломит 2,85 3,5-4 1-30 ~ 1 раунд
Сульфат бария 4,0–4,5 3-3,5 0,1-30 ~ 1 раунд
ATH Al (OH) 3 2,42 2,5-3 5-80 1-10 Тарелка
МДГ Mg (OH) 2 2,4 2,5-3 0,5-8 1-10 Тарелка
Кизельгур 2-2,5 5.5-6 4-30 2-10 диск
Магнетит / гематит 5.2 5.5-6 1-50 ~ 1 Блочный
Галлуазит 2,54 2,5 1-20 5-20 трубка
Оксид цинка 5,6 4.5 0,05-10 1 раунд
Оксид титана 4,23 6 0,1-10 1 раунд

Механические свойства

Предел прочности

Прочность на растяжение - это наиболее часто используемый метод оценки присадочных материалов. Прочность композита на разрыв можно рассчитать по уравнению

σ c = σ p (1-aΦ b f + cΦ f d )

куда

σ c = предел прочности композита
σ p = предел прочности полимерной матрицы
Φ f = объемная доля наполнителя
a, b, c, d - постоянные, зависящие от типа наполнителя. «а» относится к концентрации напряжений и основывается на характеристиках адгезии присадочного материала. «b» обычно составляет 0,67. c и d - константы, которые обратно пропорциональны размеру частиц.

Модуль упругости

Модуль упругости ( модуль Юнга ) наполненного полимера можно найти с помощью следующего уравнения:

E = E 0 (1 + 2,5 Ф + 14,1 Ф 2 )

куда:

E 0 = Модуль упругости ненаполненной смолы или связующего.
Φ = концентрация наполнителя

Полимеры с меньшими добавками наполнителя точно следуют этому уравнению. Обычно добавление присадочных материалов увеличивает модуль упругости. Добавки карбоната кальция и тальк увеличивает модуль упругости , в то время как добавление упругих материалов наполнителя может немного уменьшить значение. Наполнители увеличивают модуль упругости за счет своей жесткости или жесткости и хорошей адгезии с полимерной матрицей.

Ударопрочность (ударная вязкость)

Обычно наполнители повышают ударопрочность. Факторами, способствующими повышению ударопрочности, являются размер частиц, форма частиц и их жесткость. Волокна в наибольшей степени улучшают ударопрочность благодаря большому соотношению сторон . Наполнители с низкой твердостью снизят ударную вязкость. Размер частиц в определенном диапазоне может увеличить ударную вязкость в зависимости от материала наполнителя.

Износостойкость

Объем износа (W s ) для пластмассовых материалов можно рассчитать:

W s = KμPDW / (EI s )

куда:

K = константа пропорциональности
P = сила
E = модуль
D = расстояние скольжения
W = нагрузка
I s = прочность на межслойный сдвиг

Матрица и наполнитель способствуют износостойкости. Обычно для уменьшения коэффициента трения материала выбирается наполнитель . Размер и форма частиц являются определяющими факторами. Меньший размер частиц увеличивает износостойкость, потому что они вызывают меньше мусора. кремнезем , оксид алюминия , дисульфид молибдена и графитовый порошок являются обычными наполнителями, улучшающими износостойкость.

Сопротивление усталости

Наполнитель может оказывать отрицательное или положительное влияние на сопротивление усталости в зависимости от типа и формы наполнителя. Обычно наполнители создают небольшие разрывы в матрице. Это может способствовать возникновению трещины. Если наполнитель является хрупким сопротивление усталости будет низким, тогда как , если наполнитель очень пластичный композит будет усталостной устойчивостью. Адгезия также является важным фактором, влияющим на сопротивление усталости. Если напряжение превышает адгезию частиц, образуется / распространяется трещина. Концы волокна - это области, где чаще всего возникают трещины из-за высокого напряжения на концах волокна с более низкой адгезией. Тальк - это наполнитель, который можно использовать для повышения сопротивления усталости.

Термическая деформация

Наполнители имеют большое влияние на термическую деформацию кристаллических полимеров. На аморфные полимеры присадочный материал незначительно влияет. Для отвода тепла чаще всего используются добавки из стекловолокна. Было доказано, что углеродные волокна лучше подходят для изготовления некоторых основных материалов, чем стекло. Как правило, волокнистые материалы лучше отводят тепло, чем наполнители из частиц.

Слизняк

На сопротивление ползучести сильно влияют присадочные материалы. Уравнение ниже показывает деформацию ползучести наполненного материала:

ε c (t) / ε m (t) = E m / E c

куда:

ε c (t) = - деформация наполненного полимера
ε m (t) = деформация матрицы или ненаполненного полимера
E m = - модуль Юнга матрицы
E c = - модуль Юнга наполненного полимера.

Чем лучше наполнитель связывается с матрицей, тем лучше сопротивление ползучести. Многие взаимодействия будут иметь положительное влияние. Было показано, что стеклянные шарики и волокна улучшают сопротивление ползучести в некоторых материалах. Оксид алюминия также положительно влияет на сопротивление ползучести . Водопоглощение снижает сопротивление ползучести заполненного материала.

Свариваемость пластиковых наполнителей

Добавление присадочных материалов может существенно повлиять на свариваемость пластика. Это также зависит от типа используемого сварочного процесса. Для ультразвуковой сварки наполнители, такие как карбонат кальция и каолин, могут увеличить способность смолы передавать ультразвуковые волны. Для электромагнитной сварки и сварки горячей пластиной добавление талька и стекла снижает прочность сварного шва на 32%. Прочность пластика после сварки будет снижаться с увеличением количества наполнителей в матрице по сравнению с сыпучим материалом. Использование абразивных наполнителей может повлиять на инструмент, используемый для сварки. Абразивные наполнители быстрее разрушают сварочные инструменты, например, поверхность ультразвукового рожка, контактирующую с пластиком. Лучший способ проверить свариваемость присадочного материала - сравнить прочность сварного шва с прочностью смолы. Это может быть сложно сделать, поскольку многие присадочные материалы содержат различный уровень добавок, изменяющих механические свойства.

Применение наполнителя в пластмассовой промышленности

Наполнитель широко используется в процессе производства пластмассовых изделий. Наполнитель используется для изменения свойств исходного пластика. Используя пластиковый наполнитель, производители могут сэкономить как на производственных расходах, так и на сырье.

Бесспорно важность маточной смеси наполнителя в улучшении физических свойств пластмасс, особенно в минимизации затрат и эффективности производства. Благодаря преимуществам цены и стабильности пластиковый наполнитель поддерживает производство:

  • Выдувное формование
  • Выдувная пленка и ламинация
  • Экструзия (труба, лист)
  • Литье под давлением
  • Нетканый материал
  • Рафия
  • Термоформование

Смотрите также

использованная литература