Главная / Архив / Информационные статьи и описание продукции с прежнего сайта / Наполнители для пластмасс

Наполнители для пластмасс

На протяжении долгого времени наполнители в пластмассах применялись только для снижения себестоимости материала. Сейчас они используются и в других целях: для улучшения физико-механических свойств, тепло- и светостабильности, тепло- и электропроводности, снижения усадки и горючести материалов.
Самым широко используемым наполнителем является карбонат кальция (мела). Минерал, добываемый в различных месторождениях, отличается по составу и чистоте. Поэтому он подбирается соответственно каждому конкретному применению: кабельные пластикаты, трубы, краски, пленки. Мел хорошо воспринимает поверхностную обработку различными агентами, позволяя производить широкий спектр марок карбоната кальция, действующих не только как наполнители, но и как функциональные добавки.
Существуют марки, предназначенные для замещения некоторых красителей, улучшения текучести стеклонаполненного нейлона, повышения проницаемости к газам, снижения усадки, матирования поверхности, улучшения износостойкости или предоставления слипания пленки.
Исследовательские отделы крупных компаний – производителей наполнителей – разрабатывают ультрамикродисперсные наполнители – нанокомпозиты с размерами частиц, измеряющихся в нанометрах.
Диоксид титана, например, с размером частиц порядка 20 нанометров используется в качестве УФ-стабилизатора длительного действия для парниковых пленок.
Дисперсные наполнители повышают жесткость и теплопроводность полимеров, но при этом снижают их прочность.
Волокнистые наполнители позволяют повысить прочностные и деформационные характеристики. Однако такого же эффекта можно добиться и при использовании ультрамикродисперсных наполнителей за счет улучшенного взаимодействия между поверхностью наполнителя и макромолекул полимера.

Поверхностная обработка наполнителей

Наполнители обладают высокой поверхностной энергией, которую регулируют с помощью поверхностной обработки. Это необходимо по нескольким причинам. Так, использование органических кислот требуется при производстве микродисперсного мела методом осаждения. Без поверхностной обработки частицы мела образуют крупные агрегаты, которые чрезвычайно трудно равномерно диспергировать в матрице полимера, что приводит к резкому падению физико-механических свойств.
Другой важный аспект – адсорбционная способность наполнителя. Жирные кислоты делают поверхность наполнителя гидрофобной, что, во-первых, повышает совместимость наполнителя с неполярным полимером, а во-вторых, существенного снижает водопоглощение при хранении наполнителя.
Что касается повышения совместимости, то это основной фактор, влияющий на свойства композиционного материала. Применение поверхностной обработки кислотами существенно повышает совместимость. Обработанный наполнитель, имеющий, как и полимер, гидрофобную поверхность, намного легче распределяется в матрице полимера, и конечный расплав имеет меньшую вязкость, что снижает нагрузку на оборудование, предотвращает механодеструкцию. Кроме того, отсутствие крупных агрегатов пигмента и низкая вязкость расплава позволяют повысить производительность оборудования.
Гидрофобизация также предотвращает адсорбцию наполнителей полярных добавок – антиоксидантов, стабилизаторов, антипиренов.
При переработке и эксплуатации изделий из наполненных материалов очень важны стойкость к термокислотному старению и светостабильность. На эти параметры очень сильно влияет содержание металлов в композите. Наполнители (карбонаты и силикаты) содержат небольшие количества железа, магния и меди, которые действуют как катализаторы термо- и светодеструкции полимеров, что приводит к снижению физико-механических свойств.

Особенности применения наполнителей

Термические свойства. Теплопроводность наполнителей примерно в 20 раз больше, а удельная теплоемкость вдвое меньше, чем у полимеров. Таким образом, наполнители повышают теплопроводность расплава и готового изделия, что позволяет сократить время цикла при литье или термоформировании.
Влагопоглощение. Высокая склонность полярных наполнителей к водопоглощению отрицательно сказывается на прочностных характеристиках композиции. Вода мигрирует к поверхности наполнителя, уменьшая тем самым площадь контакта полимера с наполнителем. Карбонат кальция и доломит могут взаимодействовать с содержащимся в воздухе диоксидом серы и превращаться в сульфаты. Эти сульфаты могут вымываться с поверхности изделия, приводя к выцветанию и образованию микротрещин.
Диспергирование и смачивание. При введении наполнителя в полимер могут возникнуть проблемы с адгезией неполярного полимера к полярному наполнителю, поэтому необходимо обеспечить хорошее смачивание частиц наполнителя полимером. Чтобы улучшить же какое-либо свойство, наполнитель должен быть прочно связан с матрицей полимера. От размера и формы частиц наполнителя зависит качество смачивания и, как следствие, адгезия полимера к наполнителю. Поверхностная энергия влияет на воздействие на границе раздела фаз, и, следовательно, на прочность связи.
Для улучшения диспергирования применяют специальные соединения. Обычно это сложные эфиры жирных кислот, облегчающие диспергирование щелочных наполнителей и пигментов в полиолефинах и полистироле.
Абразивный износ оборудования зависит от твердости перерабатываемого наполнителя. Наибольший износ вызывают кварц, шпаты и доломит.

Химическая модификация наполнителей

Существует два основных способа модификации наполнителя – на стадии производства или в процессе переработки.
Для производства наполненных конструкционных материалов широко используются системы на основе органосилоксанов, химически взаимодействующих с наполнителем и матрицей. Органосилоксаны, также как и жирные кислоты, предпочтительно вводить на стадии производства наполнителей. Количество, необходимое для обработки, довольно легко рассчитать: оно прямо пропорционально удельной поверхности наполнителя. К добавкам, вводимым во время переработки, относятся химически модифицированные полимеры – компатибилизаторы (агенты, повышающие совместимость).
Радикалы карболовых кислот слишком коротки, чтобы образовать прочную связь с полимером путем зацеплений. Однако если уменьшить углеводородный радикал или повысить его функциональность путем введения полимерных радикалов, то можно существенно улучшить взаимодействие с полимерной матрицей.
В качестве примера можно привести полиолефины, малеинированные или модифицированные акриловой кислотой. Малеинированные сополимеры получают методом реакционной экструзии полиолефинов с малеиновым ангидридом и пероксидом, акриловые – путем сополимеризации акриловой кислоты с соответствующим мономером.
Такие материалы считаются наиболее эффективными для основных и амофотерных наполнителей, но при росте прочности не наблюдается значительного роста модуля упругости. Для наполнителей с поверхностью кислотной среды, таких как каолин или стеклосферы, предпочтительно использовать только малеинированные сополимеры.

Таблица. Классификация наполнители, применяемых в производстве пластмасс

Группа

Наполнитель

Химическая природа

Плотность, г/м3

Примечания

Карбонаты щелочноземельных материалов

Молотый натуральный мел

Карбонат кальция

2,7

Поверхностно обработанный или без обработки

Химически осажденный мел

Карбонат кальция

2,7

-//-

Доломит

Карбонат кальция - магния

2,9

-//-

Сульфаты щелочноземельных материалов

Барит

Сульфат бария

4,5

Высокая плотность

Силикаты и кварциты

Кварцевый порошок

Диоксид кремния

2,7

Твердый абразив

Каолин

Силикат кремния

2,6

Высокая адсорбция пластмасс

Тальк

Силикат магния

2,7

Увеличивает жесткость

Асбест

Силикат кальция - магния

2,5

Высокая адсорбция

Другие наполнители

-

Трехокись сурьмы

5,7

Для повышения огнестойкости

-

Борат цинка

3,6

-//-

-

Борат магния

3,3

-//-

-

Гидроксид алюминия

2,4

-//-


Требования, выдвигаемые к наполнителям:

- ровное распределение частиц по размерам в пределах узкого диапазона;
- высокая степень белизны;
- легкая диспергируемость;
- хорошая совместимость с ПВХ и другими полимерами.


ОДО "Поликонта" предлагает мелонаполненный, антипирен.