Минеральные наполнители, такие как карбонат кальция, тальк, кремнезем, весьма распространены в полимерной промышленности. Они часто, при стоимости 6-15 центов/фунт, заменяют значительно более дорогие полимеры, повышают жесткость наполненного продукта и придают полимеру более высокую огнестойкость. На мировом рынке наполнителей для пластмасс преобладают технический углерод (сажа) и карбонат кальция. Примерно из 15 млрд фунтов наполнителей в Америке и Европе около половины объема входят в состав эластомеров, одна треть — в термопласты, а остальные — в термореактивные материалы. Около 15% всех производимых пластмасс содержат наполнители.

Помимо стоимости, обычно рассматривают следующие свойства минеральных наполнителей при использовании их в качестве наполнителя в композитных материалах (свойства приведены без какого-либо определенного порядка):

• химический состав;

• коэффициент формы;

• плотность (удельный вес);

• размер частиц;

• форма частиц;

• распределение частиц по размерам;

• площадь поверхности частиц;

• содержание влаги, способность поглощать воду;

• способность поглощать масло;

• огнестойкие свойства;

• влияние на механические свойства композитного материала;

• влияние на вязкость расплава;

• влияние на усадку расплава;

• термические свойства;

• цвет, оптические свойства;

• влияние на выцветание и долговечность полимеров и композитов;

• влияние на здоровье и безопасность.

Общие свойства минеральных наполнителей

Химический состав

Наполнители могут быть неорганическими, органическими или смешанными, например, Biodac, как описано выше. Biodac — это гранулированная смесь целлюлозного волокна, карбоната кальция и каолина (глина). Типичные неорганические наполнители могут быть простыми солями, типа карбоната кальция (СаСО₃) или волластонита (CaSiO₃), с точной химической структурой; сложными неорганическими материалами, типа талька [гидратированный силикат магния, Mg₃Si₄O_l0(OH)₂] или каолина (гидратированный силикат алюминия, Al₂O₃-2SiO₂-2H₂O); или могут быть соединениями с неопределенным или переменным составом, типа слюды, глины и зольной пыли. Последнюю можно рассматривать как силикат алюминия с включениями других элементов.

Коэффициент формы

Это отношение длины частицы к ее диаметру. Для сферических или кубических частиц коэффициент формы равняется единице. Для частиц карбоната кальция коэффициент формы составляет обычно 1-3. Для талька коэффициент формы обычно находится в интервале 5-20. Для молотого стеклянного волокна он составляет от 3 до 25. Для слюды — 10-70. Для волластонита его значение между 4 и 70. Для рубленого стекловолокна — между 250 и 800. Для натуральных волокон, типа целлюлозы, коэффициент формы может быть от 20-80 до нескольких тысяч. Низкий коэффициент формы составляет менее 10. Однако перечисленные значения приведены для наполнителей, не переработанных в смесителе и/или экструдере. После переработки коэффициент формы может уменьшаться от нескольких дюжин и сотен до 3-10.

Плотность (удельный вес)

Хотя удельный вес минеральных наполнителей может изменяться в широком диапазоне, удельный вес наполнителей, которые применяются (или, вероятно, должны применяться) в ДПК, для всех высокий, около 2,1-2,2 (зольная пыль) и 2,6-3,0 г/см³ (карбонат кальция, тальк, каолин, слюда, глина). Biodac, гранулированная смесь карбоната кальция с каолином и целлюлозным волокном, имеет удельный вес 1,58 г/см³.

В табл.1 показано, как минеральные наполнители влияют на плотность наполненных полимеров по сравнению с древесным волокном.

Таблица 1. Влияние удельного веса наполнителей на плотность наполненного полимера. Целлюлозные волокна (древесная мука, рисовая шелуха) обычно имеют удельный вес 1,3 г/см³; карбонат кальция и тальк обычно имеют плотность 2,8 г/см³

 

* Соответствующие экспериментальные данные для наполненного полипропилена следующие: с 20% целлюлозных волокон, 0,98-1,00 г/см3; с 40% целлюлозных волокон, 1,08-1,10 г/см³; с 40% карбоната кальция или талька, 1,23-1,24 г/см³.

Можно видеть, что присутствие 20-40% минеральных наполнителей значительно повышает плотность наполненного ПЭВП и полипропилена по сравнению с полимерами, наполненными целлюлозным волокном.

Примечание. Эти расчеты могут быть сделаны, как показано в следующем примере. Для ПЭВП, наполненного 20% карбоната кальция, 100 г наполненного полимера содержат 20 г СаСО₃ и 80 г полимера. Соответствующие объемные доли равны 20 г/2,8 г/см³ = 7,1429 см³ для СаСО3 и 80 г/0,96 г/см³ = 83,3333 см³ для ПЭВП. Общий объем наполненного полимера — 7,1429 см³ + 83,3333 см³ = 90,4762 см³. Поскольку масса этого образца — 100 г, удельный вес наполненного полимера -100 г/90,4762 см³ =1,105 г/см^3.

Примечание. Как не нужно вычислять удельный вес композиционного материала. Обычная ошибка состоит в смешении объемных и массовых долей в вычислениях. Например, в вышеупомянутом случае для ПЭВП, наполненного 20% карбоната кальция, неверным был бы расчет полученого удельного веса 0,2 х 2,8 г/см³ + 0,8 х 0,96 г/см³ = 1,328 г/см³. Правильным ответом, как мы знаем, является 1,105 г/см³ (см. выше). Ошибкой было взять объемные доли 0,2 и 0,8 как массовые доли в полученной композиции.

Размер частиц

Наполнители можно разделить на крупные частицы (более 0,1-0,3 мм, 20-150 меш¹), частицы большого размера (около 0,1 мм или 100 мкм, 150-200 меш), частицы среднего размера (около 10 мкм, 250 меш), частицы маленького размера (около 1 мкм), тонкодисперсные частицы (около 0,1 мкм), и наночастицы (слоистые — толщиной 1 нм или 0,001 мкм, и длиной 200 нм или 0,2 мкм; интеркалированные — толщиной 30 нм, длиной 200 нм). Наночастицы не рассматриваются в качестве наполнителей, а скорее, в качестве добавок. Примерами частиц вышеупомянутых размеров являются Biodac (крупные частицы), молотый карбонат кальция (большой размер частиц), глина (средний размер частиц), осажденный CaCO₃ (маленький размер частиц), некоторые специальные виды двуокиси кремния (мелкий размер частиц), расслаивающиеся частицы многослойных органоглин. Стоимость этих наполнителей увеличивается очень существенно при переходе от крупных и больших до маленьких и тонкодисперсных частиц, и особо — для наночастиц. Следовательно, только крупные и большие частицы наполнителей могут привести к экономии стоимости при замене полимера, если наполнители не придают композиционному материалу действительно полезные свойства, оправдывающие повышенную стоимость.