2.4. Характеристики свойств дисперсных наполнителей

Для оценки свойств дисперсных наполнителей известны свыше 40 различных показателей, включающих физико-механические, электрические, теплофизические, оптические характеристики, некоторые из них приведены в табл. 1.

Основными свойствами являются: форма частиц, гранулометрический состав (дисперсность и полидисперсность), удельная поверхность, пористость, насыпная и истинная плотности (нас и ист), максимальная объемная доля (_maх), рН поверхности.

Коэффициент формы (К_е) влияет на вязкость материала и распределение напряжений в наполненных материалах. Значение К_е определяется реологическим методом и меняется от 2,5 для шарообразных до 5,9 для эллипсоидных частиц с отношением длин полуосей, равным 10. Большинство наполнителей имеют неправильную форму частиц. Ряд наполнителей характеризуется регулярной формой: шарообразной (К_е=2,5) – стеклосферы, кварцевый песок; кубический (К_е=3) – кальций, полевой шпат; чешуйчатый (К_е=5) – каолин, тальк, слюда, графит. С увеличением К_е возрастают вязкость и концентрация напряжений в наполненных полимерах.

Гранулометрический состав – это размеры частиц (дисперсность) и распределение по размерам (полидисперсность).

Оптимальным считается наполнитель с размерами частиц от 70 до 400 мкм.

Дисперсные наполнители по размеру частиц делятся на: крупнодисперсные (диаметр 0,04 мм), среднедисперсные (0,04d0,01), высокодисперсные (0,01d0,01) и ультрадисперсные (d0,01).

Выбор формы и оптимальных размеров частиц определяется: размерами и формой изделий, так, в случае изделий малой толщины и сложной конфигурации предпочтительнее применять высокодисперсные наполнители, поскольку они легче распределяются в связующем, сохраняя исходное распределение в процессе формования изделия; уровнем свойств материала; скоростью седиментации и склонностью к агломерации; способом формования. Скорость оседания (расслаивание композиции) наполнителя возрастает с уменьшением вязкости полимера, увеличением плотности и размера частиц наполнителя. Агломерация (слипание) частиц наполнителя наблюдается в низковязких композициях при размерах частиц  10 мкм. Реальные наполнители являются полифракционными (полидисперсными) с широким или узким распределением частиц по размеру и характеризуются кривой распределения, рис.1.

По кривой распределения частиц по размерам определяют средний размер. От формы и размеров частиц зависят: плотность упаковки наполнителя, равномерность распределения частиц, площадь контакта со связующим, реологические, физико-механические и другие свойства.

Рис. 1. Кривые распределения частиц наполнителя по размерам:

а – интегральная; б – дифференциальная

Определяют гранулометрический состав ситовым анализом (ГОСТ 3584-78), просеивая 50 г материала через набор стандартных сит. Фракции, оставшиеся на каждом сите, взвешивают и определяют по формуле:

mc= (m*100)/m1 ,

где m* – масса остатка на сите; m1 – масса рассеиваемого материала.

Удельная поверхность частиц наполнителя (Sуд) является мерой площади поверхности 1 г дисперсного наполнителя и имеет размерность м2/г, зависит от размеров частиц наполнителей и их пористости. Различают общую (Sоб), внутреннюю (Sвн) и геометрическую (Sг) поверхности наполнителя, причем Sоб= Sвн+Sч. Общую удельную поверхность определяют методами сорбции газов, органических веществ и т.д. Наибольшее распространение получил метод низкотемпературной сорбции азота (метод БЭТ).

Удельную геометрическую поверхность наполнителя можно рассчитать по формуле:

,

где m_с – массовая доля данной фракции наполнителя, %; Х – средний диаметр частиц наполнителя; n – число фракций; К – коэффициент, учитывающий форму частиц

S_вн= S_об - S_г.

Таблица 1

Свойства дисперсных наполнителей

Наполнитель	Химическая формула	Плотность, кг/м3	pН вод-ной вытяжки	Твердость по Моосу	Температура, оС	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуаcсона	Коэффициент термического расширения 105, 1/оС	Удель-ное объемное электрическое сопротивление, Ом.м	Форма частиц
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Каолин	Al4(Si2O5)2(OH)8	2600	4,5	1	1000 (Тр)	-	-	0,53	107-1012	пластинчатая
Тальк	Mg3[Si4O10](OH)2	2788	8,1-9,6	1	1500 (Тпл)	3,5	0,4	0,4	1,6109	чешуйчатая
Слюда (мусковит)	KAl2[AlSi3O10] (OH,F)2	2834	7,5	2,5-3,5	1290 (Тр)	0,25	0,25-0,35	1,95	1016	то же
Мел	СаСО3	2600-2900	9,2	3	920 (Тр)	6-9	0,28-3	0,4	108-1014	зернистая
Кварц (стекло)	SiO2	2248	6-7,5	7-7,5	1600 (Тпл)	6,7-8,0	0,07-0,15	0,045	1016	то же
Барит	BaSO4	4480	6,5-7,0	3-3,5	1143 (Тр)	5,9-6,1	0,25-0,32	1,8	4,5	-«-
Аэросил	SiO2	2350	4	4-6	1400 (Тпл)	6,5	0,15	0,1	1010	-«-
Асбест (хриза-тиловый)	Mg6[Si4O10](OH)8	2100-2800	2,5	-	1110 (Тпл)	16	-	0,8	-	волок-нистая
Белая сажа	SiO2Н2О	2100-2200	8-10	-	1200 (Тпл)	4,5-5,5	0,3	0,4	1012	зернистая
Окончание табл. 1
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Техни-ческий углерод марки ПМ-15	С	1820	8,5	3	1000 (при-мене-ние)	-	0,35	0,8	101	то же
Лито-пон	ZnS(30%)+ВаSО4 (70%)	2500-3500	-	3-4	1200 (Тр)	5,5	0,35	1,8	-	пластинчатая
Гидро-окись алюминия	Аl(ОН)3	2420	7	6-7	420 (Тр)	-	-	6,2	105-1012	зернистая
Ругил	ТiО2	4200-4300	6-7	6,7-7,2	1980 (Тпл)	29	0,28	0,78	4102	то же
Гипс	СаSО42Н2О	2317	8	2	550 (Тр)	1,4	0,22-0,34	2,42	108-1014	«
Корунд	Аl2О3	3900-4000	6-7	9	2050 (Тпл)	37-52	0,13-0,2	0,6	41015	«

*Тр – температура разложения, Тпл – температура плавления.

Для наполнения полимеров используют наполнители с S_уд от 0,01 до 1500 м²/г.

К основным параметрам наполнителя относят истинную (_ист) и насыпную (_нас) плотности.

Для пористых и агрегирующих наполнителей насыпная плотность ниже, чем для непористых частиц. Значения _ист и _нас используют для расчета навесок материала, определения объемов бункеров перерабатывающего оборудования, емкостей хранения и определения максимальной объемной доли (_mах) наполнителя. Значения _mах можно рассчитать теоретически или определить экспериментально как _mах=_нас/_ист. Зависимость _mах и S_уд для карбида бора от диаметра частиц приведена на рис. 2. Отклонение формы от сферической или их агрегация приводит к снижению _mах. Разрушение агрегатов из частиц наполнителя, наоборот, увеличивает _mах до 0,095.Так, для аэросила А - 300 _mах =0,08 об.доли, а при введении его в полимер на вальцах увеличивается до 0,46 об.доли.

Параметр _mах является верхним граничным пределом содержания наполнителя в двухфазном материале.

Рис. 2. Зависимость _mах и S_уд наполнителя от диаметра частиц d

Насыпную плотность определяют следующим образом: в предварительно взвешенный цилиндр объемом 100 см³ с внутренним диаметром 45 мм из воронки с диаметром нижнего отверстия 35 мм насыпают материал (заполнение без встряхивания и постукивания цилиндра). Избыток материала срезают ножом вровень с краем цилиндра. Наполненный цилиндр взвешивают с точностью до 0,1 г.

Насыпную плотность в кг/м³ (нас) и удельный объем (V_уд) в м³/кг рассчитывают по формулам:

_нас = m₂ – m₁ /0,0001; V_уд = 0,0001/m₂ - m₁,

где m₁ – масса цилиндра; m₂ – масса пробы и цилиндра.

Проводят два параллельных испытания. Коэффициент уплотнения (ГОСТ 11234-91) К_уп = _нас/_изд, где _изд – плотность материала в отформованном изделии.

Существенно влияние рН наполнителя на смачивание, сорбцию, кинетику и полноту отверждения и на комплекс эксплуатационных свойств.