Пластмаси с минерални филъри

Инструменти, материалиСп. Инженеринг ревю - брой 7/2018 • 05.11.2018

Пластмаси с минерални филъри
Пластмаси с минерални филъри

Функционалните пълнители (филъри) се използват широко в пластмасите, като тенденцията за все по-нарастващото им потребление се определя от няколко фактора. Първо, филърите придават на пластмасовите материали широк диапазон от свойства, включващ и такива, които обикновено не са присъщи за пластмасите, като например висока електро- или топлопроводимост. В допълнение, функционалните пълнители могат да се използват за подсилване на пластмасите – например благодарение на филъри като талк и стъклени влакна полипропиленът може да се конкурира успешно на пазара на инженерни полимери. 

Почти всички пластмаси се произвеждат от петролна суровина, а цената им неизбежно се увеличава с изчерпването на наличните първични ресурси. За разлика от това, минералните пълнители са изобилни, а цените им намаляват с времето.

Форма и функция
Размерът и формата на частиците на пълнителя до голяма степен определят механичните свойства, които той придава на пластмасата. Влакната и призматичните частици например обикновено увеличават както якостта на опън, така и якостта на огъване във всички направления. Филърите с частици под формата на люспи или пластинки могат да увеличат якостта само в две направления, тъй като обикновено се ориентират пространствено спрямо посоката на леене на детайлите. Всички видове пълнители обаче допринасят за геометричната и термичната стабилност на пластмасата.

Размерът на частиците на филърите оказва влияние най-вече върху якостта на опън, огъване и удар. Средният диаметър на частиците варира между 1 и 10 микрона за естествени минерали и достига до 30 микрона за стъклени перли. По-големите частици създават по-високи концентрации на напрежение в полимерната матрица.
Вариациите в размера на частиците за повечето филърни материали се движи от около 20:1 до 40:1. При глината обаче може да се срещнат вариации от порядъка 1000:1. По принцип колкото по-малки и по-еднородни по размер са частиците, толкова по-добри са якостните качества на композита. Достатъчни са няколко по-големи частици в иначе равномерно разпределени малки частици, за да се стигне до значително понижаване на крайните якостни характеристики.

Повърхността на частиците на филъра също оказва ефект върху свойствата на пластмасите, особено върху тяхната обработваемост. Площта на повърхността може да варира от 20 m2/g за глина до 1 m2/g за силициев диоксид. Този параметър на филърните частици и възможната им степен на омокряне определят вискозитета на пластмасата по време на формоването й. Добре омокряемите минерални филъри са с по-висока течливост и водят до подобрени механични свойства. Ако повърхността на частиците на пълнителя обаче е толкова голяма, че смолата да не достига за омокряне на цялата им площ, то полученият композит ще е с лошо разпределение на филъра и нееднородни свойства.

Въздействия
Минерални филъри със съотношение дължина към ширина на частиците под 10:1 съществено влияят на изотропното или равномерно свиване, като по този начин намаляват деформацията в термопластичните композити. Ограничаването на изкривяването обаче става за сметка на якостта на опън и други механични свойства. Филърите с ниско съотношение дължина/ширина на частиците като талка например, също подобряват възможността за формоване и съкращават работните цикли.
Филърите с висока стойност на това съотношение и тези с частици под формата на влакна или пластинки спомагат за поддържането или повишаването на якостта на опън в сравнение с пластмасите без пълнители. Недостатъкът е, че тези филърни материали са с по-висока цена от пълнителите с кубични и сферични частици и обикновено придават нееднородни свойства поради пространствената им ориентация при формоването.

За да постигнат по-еднородни свойства, доставчиците на пластмаси разчитат на слюдени филъри, които осигуряват добър баланс на повишена якост на опън, еднакви свойства и много по-малко свиване след формоване.

Често използвани филъри
Калциевият карбонат е мек, евтин пълнител, който е лесно достъпен в световен мащаб. Калциевият карбонат с висока чистота е безцветен, но поради разсейването на светлината изглежда като бял прах. Предлага се с различни размери на частиците, както и с различно обработена повърхност. За много приложения калциевият карбонат е най-подходящ, особено при по-евтините полимери като PE, PP и PVC, където може да доведе до подобрение на твърдостта и съпротивлението на удар, запазване на якостта и същевременно намаляване на разходите. Предимно се използва смлян калциев карбонат, но на пазара се предлагат и по-фини частици със субмикронни размери, получени в резултат на утаяване. В случай че не е необходимо подсилване на полимера, калциевият карбонат често е първият избор.
Талкът е много мек минерал, който е безцветен, когато е чист, и е под формата на бял прах. Частиците обикновено са плоски, което позволява при достатъчно високо съотношение между дължината и ширината им талкът да укрепи структурата на пластмасите. Той се използва широко за приложения, изискващи получаването на пластмаси с добри механични свойства и ниски тегло и цена. Талкът също допринася за по-бързото кристализиране на полимери като PP и найлон и за ускоряване на производството на детайли.

Каолиновата глина е мек бял или жълтокафяв прах, чиито частици имат плоска форма. Подобно на талка, когато съотношението дължина/ширина на частиците е достатъчно високо, този пълнител подсилва пластмасите. Каолиновата глина е широко достъпна, инертна и евтина.
Воластонитът представлява бял прах с висока твърдост (4,5 по Моос) в сравнение с другите често употребявани пълнители. Това му свойство го прави подходящ за постигане на устойчивост на надраскване, особено за PP, използван в автомобилната индустрия. Това е най-често срещаната влакнеста минерална армировка, която напълно замества азбеста. Воластонитът не е толкова ефективен, колкото са най-добрите подсилващи филъри, защото съотношението дължина/ширина на частиците обикновено е по-ниско, отколкото при талка или слюдата. За разлика от другите силикати, воластонитът няма добра устойчивост на киселини и основи.
Мусковитът (калиевата слюда) е най-често срещаната форма на слюдата и е бял или светлосив на цвят. Флогопитът е по-тъмен на цвят, но има доста по-добра стабилност при висока температура. Двата типа филъри показват аналогични характеристики в полимерите, ако са съставени от частици със сравними размери и съотношение дължина/ширина.

Стъклените перли се използват за редуциране склонността към деформация особено при полимери със стъклени влакна. Те подпомагат доброто леене и осигуряването на качествена повърхностна обработка. Особено популярни са за инженерните полимери като найлон и PBT или термореактивни пластмаси като фенолни и епоксидни смоли.

Стъклото обаче най-често се използва като пълнител под формата на влакна. Обикновено повърхността им се обработва за допълнителна защита и подобряване на адхезията към полимера при тежки условия като висока влажност или повишена температура. Стъклените влакна са твърди и е нужно полагането на специални грижи за предотвратяване на пречупването им и предпазване на производственото оборудване от износване.
Алуминиевият трихидрат (АТХ) е най-разпространеният пълнител, забавящ горенето. Той се разлага при нагряване над 180-200°C, абсорбирайки топлината и освобождавайки вода за потушаване на пламъка. Ниската температура на разлагане е подходяща за полимери, които се обработват под 200°С, като PE, EVA и EBA. Той обаче не може да се използва за PP и повечето други полимери поради това, че се разлага по време на формоването. Повърхностната обработка спомага за редуциране на вискозитета на пластмаси с високо съдържание на АТХ. Големи количества от този пълнител се използват в плотове от синтетичен мрамор, които обикновено се третират повърхностно с органосиланов свързващ агент, за да се подобри свързването към акрилната матрица на полимера.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top