Наполнители — это частицы, добавляемые в смолу или связующие вещества ( пластики , композиты , бетон ), которые могут улучшить определенные свойства, сделать продукт дешевле или смесь того и другого. [1] Два крупнейших сегмента использования наполнителей — это эластомеры и пластики . [2] Во всем мире более 53 миллионов тонн наполнителей (на общую сумму около 18 миллиардов долларов США) используются каждый год в таких областях применения, как бумага , пластик , резина , краски , покрытия, клеи и герметики . Таким образом, наполнители, производимые более чем 700 компаниями, входят в число основных мировых сырьевых материалов и содержатся в различных товарах для повседневных нужд потребителей. Наиболее часто используемые наполнители — это молотый карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (PCC), каолин, тальк и сажа. [3]
Наполнители могут влиять на прочность на разрыв, ударную вязкость, термостойкость, цвет, прозрачность и т. д. Это можно использовать для изменения или улучшения свойств материала или как способ улучшения и контроля характеристик обработки. [4] Еще одной причиной использования наполнителей является снижение затрат путем замены части дорогостоящего основного материала более дешевым наполнителем.
Большинство наполнителей, используемых в пластмассах, представляют собой наполнители на основе минералов или стекла. [5] Частицы и волокна являются основными подгруппами наполнителей. Частицы представляют собой небольшие частицы наполнителя, которые смешиваются в матрице, где важны размер и соотношение сторон. Волокна представляют собой небольшие круглые нити, которые могут быть очень длинными и иметь очень высокое соотношение сторон. [6]
Называемый «мелом» в пластиковой промышленности, карбонат кальция 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 повысить рабочие температуры материалов и обеспечить изоляцию для электропроводки. [7]
CaCO 3 используется в качестве основы в наполнителе мастербатча с большим процентом в составе. Порошок карбоната кальция составляет 97% состава, что придаст белым/непрозрачным продуктам больше белизны. Таким образом, производители могут сократить использование белого мастербатча. При меньшем проценте порошок карбоната кальция можно использовать для цветных продуктов. Кроме того, он придает конечным пластиковым продуктам более яркую и более глянцевую поверхность. [8]
Каолин в основном используется в пластмассах из-за его антиблокировочных свойств, а также в качестве поглотителя инфракрасного излучения в лазерной маркировке. [7] Он увеличивает ударную вязкость и термостойкость. Метаколинит используется для стабилизации ПВХ. [7] Также было показано, что каолин повышает стойкость к истиранию и может заменить технический углерод в качестве наполнителя и улучшить свойства текучести армированных стекловолокном веществ. [7]
Тальк , мягкий минерал и, как правило, более дорогой, чем карбонат кальция . Он получается путем наложения слоев гидроксида магния с кремнием. В пластиковой промышленности он используется для упаковки и пищевых продуктов из-за его долговременной термической стабильности. [7] [6]
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 стеклянных волокон при создании термопластов и термореактивных материалов. [6]
Материалы для наполнения стеклом бывают нескольких различных форм: стеклянные шарики, короткие стеклянные волокна и длинные стеклянные волокна. в пластиках по тоннажу. [6] Стеклянные волокна используются для повышения механических свойств термопласта или термореактивного материала, таких как модуль упругости при изгибе и прочность на растяжение. Обычно нет экономической выгоды от добавления стекла в качестве материала-наполнителя. Некоторые недостатки наличия стекла в матрице включают низкое качество поверхности, высокую вязкость при расплавлении, плохую свариваемость и коробление. [6] Добавление стеклянных шариков поможет с поглощением масла и химической стойкостью. [7]
Летучая зола угля и сланцевого масла использовалась в качестве наполнителя для термопластов , которые можно было бы использовать для литья под давлением . [9]
Нанонаполнители имеют размер частиц менее 100 нанометров . Они имеют высокое соотношение сторон и в основном используются как устойчивые к царапинам и огнестойкие наполнители. [5] Нанонаполнители можно разделить на три группы: нанопластины, нановолокна и наночастицы . Наночастицы более широко используются, чем нанопластины и нановолокна, но нанопластины начинают использоваться все шире. 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 огнестойкие свойства. [6]
Полимерные вспененные шарики могут иметь насыпную плотность всего 0,011 г/см3 и размер от 45 микрон до более 8 мм. Распространенные недостатки использования полимерных вспененных шариков в сформулированных системах включают ограничения по статической, температурной и химической стойкости, а также трудности с достижением однородной смеси в сформулированной системе из-за их чрезвычайно низкой насыпной плотности. Однако эти ограничения можно в основном, если не полностью, преодолеть с помощью использования модификаций рецептуры, добавок и других видов обработки поверхности. Несмотря на эти потенциальные проблемы, полимерные вспененные шарики можно добавлять в сформулированные системы, когда требуется экономия веса или стоимости готового продукта.
Заполнитель для кладки используется для ремонта трещин и отверстий в наружных стенах и обычно производится с использованием цемента и гашеной извести . Среди производителей — Toupret. [10]
В качестве наполнителя можно использовать разнообразные природные полимеры. Некоторые известные примеры включают целлюлозные волокна, древесную муку и волокна, лен , хлопок , сизаль и крахмал . [4]
Материалы для наполнения бетона включают гравий , камень, песок и арматуру . Гравий, камень и песок используются для снижения стоимости бетона. Арматура используется для укрепления бетона. [11]
Прочность на разрыв является наиболее используемым методом оценки материалов-наполнителей. Прочность на разрыв композита можно рассчитать с помощью уравнения
где
Модуль упругости ( модуль Юнга ) наполненного полимера можно найти с помощью следующего уравнения:
где:
Полимеры с меньшими добавками наполнителя близко следуют этому уравнению. В общем случае добавление наполнителей увеличит модуль. Добавление карбоната кальция и талька увеличит модуль упругости , в то время как добавление эластичных наполнителей может немного уменьшить значение. Наполнители увеличивают модуль из-за своей жесткости или жесткости и хорошей адгезии с полимерной матрицей. [13]
В целом наполнители увеличивают ударопрочность. Факторами, способствующими повышению ударопрочности, являются размер частиц, форма частиц и жесткость частиц. Волокна повышают ударопрочность больше всего из-за их большого соотношения сторон . Наполнители с низкой твердостью уменьшают ударопрочность. Размер частиц в определенном диапазоне может увеличить ударопрочность в зависимости от материала наполнителя. [13]
Объем износа (W s ) для пластиковых материалов можно рассчитать:
где:
Матрица и наполнитель способствуют износостойкости. Обычно наполнитель выбирается для снижения коэффициента трения материала. Размер и форма частиц являются способствующими факторами. Меньший размер частиц увеличивает износостойкость, поскольку они вызывают меньше мусора. Кремнезем , оксид алюминия , дисульфид молибдена и графитовый порошок являются распространенными наполнителями, которые улучшают износостойкость. [13]
Наполнитель может оказывать отрицательное или положительное влияние на усталостную прочность в зависимости от типа и формы наполнителя. В общем случае наполнители создают небольшие разрывы в матрице. Это может способствовать возникновению точки зарождения трещины. Если наполнитель хрупкий, усталостная прочность будет низкой, тогда как если наполнитель очень пластичный, композит будет устойчив к усталости. Адгезия также является важным фактором, влияющим на усталостную прочность. Если напряжение выше, чем адгезия частиц, трещина будет образовываться/распространяться. Концы волокон — это области, где трещины возникают чаще всего из-за высокого напряжения на концах волокон с более низкой адгезией. Тальк — это наполнитель, который можно использовать для повышения усталостной прочности. [13]
Наполнители оказывают большое влияние на термическую деформацию кристаллических полимеров. Аморфные полимеры незначительно подвержены влиянию наполнителя. Для отражения большей части тепла чаще всего используются добавки стекловолокна. Было показано, что углеродные волокна лучше стекла в некоторых базовых материалах. В целом волокнистые материалы лучше отражают тепло, чем наполнители в виде частиц. [13]
Сопротивление ползучести сильно зависит от наполнителей. Уравнение ниже показывает деформацию ползучести наполненного материала: [13]
где:
Чем лучше наполнитель связывается с матрицей, тем лучше будет сопротивление ползучести. Многие взаимодействия будут иметь положительное влияние. Было показано, что стеклянные шарики и волокна улучшают сопротивление ползучести в некоторых материалах. Оксид алюминия также оказывает положительное влияние на сопротивление ползучести . Поглощение воды снизит сопротивление ползучести наполненного материала. [13]
Добавление наполнителей может существенно повлиять на свариваемость пластика. Это также зависит от типа используемого процесса сварки. Для ультразвуковой сварки наполнители, такие как карбонат кальция и каолин, могут повысить способность смолы передавать ультразвуковые волны. [14] Для электромагнитной сварки и сварки горячей пластиной добавление талька и стекла снизит прочность сварного шва на целых 32%. [15] Прочность пластика после сварки будет уменьшаться с увеличением количества наполнителей в матрице по сравнению с основным материалом. [16] Использование абразивных наполнителей может повлиять на инструмент, используемый для сварки. Абразивные наполнители будут быстрее разрушать сварочные инструменты, например, поверхность ультразвукового рожка, контактирующая с пластиком. Лучший способ проверить свариваемость наполнителя — сравнить прочность сварного шва с прочностью смолы. [17] Это может быть трудно сделать, поскольку многие наполнители содержат разный уровень добавок, которые изменяют механическое поведение. [17]
Наполнитель широко используется в процессе производства пластиковых изделий. Наполнитель используется для изменения свойств исходного пластика. Используя пластиковый наполнитель, производители могут экономить производственные затраты, а также сырье.
Неоспорима важность мастербатча-наполнителя в улучшении физических свойств пластмасс, особенно минимизации затрат и эффективности производства. Благодаря преимуществу цены и стабильности, пластиковый наполнитель поддерживает производство:
{{cite web}}: |first=имеет общее название ( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )