Наполнители - это частицы, добавленные в смолу или связующие ( пластмассы , композиты , бетон ), которые могут улучшить определенные свойства, удешевить продукт, или их смесь. [1] Двумя крупнейшими сегментами использования наполнителей являются эластомеры и пластмассы . [2] Во всем мире ежегодно используется более 53 миллионов тонн наполнителей (на общую сумму около 18 миллиардов долларов США) в таких областях применения, как бумага , пластмассы , резина , краски , покрытия, клеи и герметики.. Таким образом, наполнители, производимые более чем 700 компаниями, входят в число основных сырьевых материалов в мире и входят в состав различных товаров для повседневных нужд потребителей. В качестве верхних используемых наполнителей используются измельченный карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (PCC), каолин, тальк и технический углерод. [3] Наполнители могут влиять на предел прочности на разрыв, ударную вязкость, термостойкость, цвет, прозрачность и т. Д. Хорошим примером этого является добавление талька к полипропилену . [4] Большинство наполнителей, используемых в пластмассах, представляют собой наполнители на минеральной или стеклянной основе. [4] Твердые частицы и волокнаявляются основными подгруппами присадочных материалов. Твердые частицы - это небольшие частицы наполнителя, которые смешиваются в матрице, где важны размер и соотношение сторон. Волокна - это небольшие круглые нити, которые могут быть очень длинными и иметь очень высокое соотношение сторон. [5]
Типы [ править ]
Карбонат кальция (CaCO 3 ) [ править ]
Карбонат кальция, называемый в пластмассовой промышленности «мелом», 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 повышать рабочие температуры материалов и обеспечивать изоляцию электропроводки. [6]
CaCO3 используется в маточной смеси наполнителя в качестве основы с большим процентным содержанием в составе. Порошок карбоната кальция, составляющий 97% состава, придаст белым / непрозрачным продуктам большую белизну. Таким образом, производители могут сократить использование белой маточной смеси. С меньшим процентом порошок карбоната кальция можно использовать для цветных продуктов. Кроме того, это придает готовым изделиям из пластика более яркую и глянцевую поверхность. [7]
Каолин [ править ]
Каолин в основном используется в пластмассах из-за его антиблокировочных свойств, а также в качестве поглотителя инфракрасного излучения при лазерной маркировке. [6] Повышает ударную вязкость и термостойкость. Метаколинит используется для стабилизации ПВХ. [6] Также было показано, что каолин увеличивает сопротивление истиранию и может заменить технический углерод в качестве наполнителя и улучшить текучесть веществ, армированных стекловолокном. [6]
Гидроксид магния (тальк) [ править ]
Тальк , мягкий минерал, обычно более дорогой, чем карбонат кальция . Его получают из слоев гидроксида магния с кремнеземом. В пластмассовой промышленности он используется для упаковки и пищевых продуктов из-за его долгосрочной термостойкости. [6] [5]
Волластонит (CaSiO 3 ) [ править ]
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 реактопластов. [5]
Стекло [ править ]
Стеклянные наполнители бывают нескольких видов: стеклянные шарики, короткие стекловолокна , длинные стекловолокна. в пластиках по тоннажу. [5] Стекловолокно используется для повышения механических свойств термопласта или термореактивного материала, таких как модуль упругости при изгибе и предел прочности при растяжении. Обычно добавление стекла в качестве наполнителя не дает экономической выгоды. Некоторые недостатки наличия стекла в матрице - это низкое качество поверхности, очень вязкость при плавлении, низкая свариваемость и коробление. [5] Добавление стеклянных шариков способствует абсорбции масла и химической стойкости. [6]
Нанонаполнители [ править ]
Нанонаполнители имеют размер частиц менее 100 нанометров . Они имеют высокое соотношение сторон и в основном используются в качестве устойчивых к царапинам и огнестойких наполнителей. [4] Нанонаполнители можно разделить на три группы: нанопластинки, нановолокна и наночастицы. Наночастицы используются более широко, чем нанопластинки и нановолокна, но нанопластинки начинают все более широко использоваться. 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 огнезащитные свойства. [5]
Шарики из вспененного полимера [ править ]
Шарики из вспененного полимера могут иметь объемную плотность всего 0,011 г / см 3 и размер от 45 микрон до более 8 мм. Общие недостатки использования шариков из полимерной пены в составных системах включают ограничения статической, температурной и химической стойкости, а также трудности с достижением гомогенной смеси в составе сформулированной системы из-за их чрезвычайно низкой объемной плотности. Однако эти ограничения можно в основном, если не полностью, преодолеть за счет использования модификаций рецептуры, добавок и других видов обработки поверхности. Несмотря на эти потенциальные проблемы, шарики из вспененного полимера могут быть добавлены в составные системы, когда требуется снижение веса или стоимости готового продукта.
Наполнитель для кладки [ править ]
Наполнитель для каменной кладки используется для ремонта трещин и отверстий в наружных стенах и обычно изготавливается с использованием цемента и гашеной извести . Производители включают Toupret. [8]
Другие наполнители [ править ]
Материалы наполнителя бетона включают гравий , камень, песок и арматуру . Гравий, камень и песок используются для удешевления бетона. Арматура используется для укрепления бетона. [9]
| Тип наполнителя | Плотность (г / см 3 ) | Твердость по Моосу | Средний размер (Микроны) | Соотношение сторон / форма |
|---|---|---|---|---|
| Карбонат кальция | 2,7 | 3-4 | 0,02-30 | 1-3 Блочный |
| Тальк | 2,7–2,8 | 1 | 0,5-20 | 5-40 Тарелка |
| Волластонит | 2,9 | 4.5 | 1-500 | 5-30 волокна |
| Слюда | 2,8–2,9 | 2,5-4 | 5–1000 | 20-100 пластина |
| Каолин | 2,6 | 2 | 0,2-8 | 10-30 Тарелка |
| Кремнезем (осажденный) | 1.9-2.1 | 5.5 | 0,005-0,1 | ~ 1 раунд |
| Черный карбон | 1,7–1,9 | 2-3 | 0,014-0,25 | ~ 1 раунд |
| Доломит | 2,85 | 3,5-4 | 1-30 | ~ 1 раунд |
| Сульфат бария | 4,0-4,5 | 3-3,5 | 0,1-30 | ~ 1 раунд |
| ATH Al (OH) 3 | 2,42 | 2,5-3 | 5-80 | 1-10 пластина |
| МДГ Mg (OH) 2 | 2,4 | 2,5-3 | 0,5-8 | 1-10 пластина |
| Кизельгур | 2-2,5 | 5.5-6 | 4-30 | 2-10 диск |
| Магнетит / гематит | 5.2 | 5.5-6 | 1-50 | ~ 1 Блочный |
| Галлуазит | 2,54 | 2,5 | 1-20 | 5-20 трубка |
| Оксид цинка | 5,6 | 4.5 | 0,05-10 | 1 раунд |
| Оксид титана | 4,23 | 6 | 0,1-10 | 1 раунд |
Механические свойства [ править ]
Прочность на разрыв [ править ]
Прочность на растяжение - это наиболее часто используемый метод оценки присадочных материалов. Прочность композита на растяжение можно рассчитать с помощью уравнения
- σ c = σ p (1-aΦ b f + cΦ f d ) [11]
куда
- σ c = предел прочности композита
- σ p = предел прочности полимерной матрицы
- Φ f = объемная доля наполнителя
- a, b, c, d - константы, зависящие от типа наполнителя. «а» относится к концентрации напряжений и основывается на характеристиках адгезии присадочного материала. «b» обычно составляет 0,67. c и d - константы, которые обратно пропорциональны размеру частиц. [11]
Модуль упругости [ править ]
Модуль упругости ( модуль Юнга ) наполненного полимера можно найти с помощью следующего уравнения:
- E = E 0 (1 + 2,5Φ + 14,1Φ 2 ) [11]
куда:
- E 0 = Модуль упругости ненаполненной смолы или связующего.
- Φ = концентрация наполнителя
Полимеры с меньшими добавками наполнителя точно следуют этому уравнению. Как правило, добавление наполнителей увеличивает модуль упругости. Добавки карбоната кальция и тальк увеличивает модуль упругости , в то время как добавление упругих материалов наполнителя может немного уменьшить значение. Наполнители увеличивают модуль упругости за счет ребристых частиц и хорошей адгезии. [11]
Ударопрочность (ударная вязкость) [ править ]
Обычно наполнители повышают ударопрочность. Факторами, способствующими повышению ударопрочности, являются размер частиц, их форма и их жесткость. Волокна в наибольшей степени улучшают ударопрочность благодаря большому соотношению сторон . Наполнители с низкой твердостью снизят ударную вязкость. Размер частиц в определенном диапазоне может повысить ударную вязкость в зависимости от материала наполнителя. [11]
Износостойкость [ править ]
Объем износа (W s ) для пластмассовых материалов можно рассчитать:
- W s = KμPDW / (EI s ) [11]
куда:
- K = константа пропорциональности
- P = сила
- E = модуль
- D = расстояние скольжения
- W = нагрузка
- I s = прочность на межслойный сдвиг
Матрица и наполнитель способствуют износостойкости. Обычно наполнитель выбирается для уменьшения коэффициента трения материала. Размер и форма частиц являются определяющими факторами. Меньший размер частиц увеличивает износостойкость, потому что они вызывают меньше мусора. кремнезем , оксид алюминия , дисульфид молибдена и графитовый порошок являются обычными наполнителями, улучшающими износостойкость. [11]
Усталостное сопротивление [ править ]
Наполнитель может оказывать отрицательное или положительное влияние на сопротивление усталости в зависимости от типа и формы наполнителя. Обычно наполнители создают в матрице небольшие разрывы. Это может способствовать возникновению трещины. Если наполнитель является хрупким сопротивление усталости будет низким, тогда как , если наполнитель очень пластичный композит будет усталостной устойчивостью. Адгезия также является важным фактором, влияющим на сопротивление усталости. Если напряжение превышает адгезию частиц, образуется / распространяется трещина. Концы волокна - это области, где чаще всего возникают трещины из-за высокого напряжения на концах волокна с более низкой адгезией. Тальк - это наполнитель, который можно использовать для повышения сопротивления усталости. [11]
Термическая деформация [ править ]
Наполнители имеют большое влияние на термическую деформацию кристаллических полимеров. На аморфные полимеры присадочный материал незначительно влияет. Для отвода тепла чаще всего используются добавки из стекловолокна. Было доказано, что углеродные волокна лучше подходят для изготовления некоторых основных материалов, чем стекло. Как правило, волокнистые материалы лучше отводят тепло, чем наполнители из частиц. [11]
Creep [ править ]
На сопротивление ползучести сильно влияют присадочные материалы. Уравнение ниже показывает деформацию ползучести наполненного материала: [11]
- ε c (t) / ε m (t) = E m / E c
куда:
- ε c (t) = - деформация наполненного полимера
- ε m (t) = деформация матрицы или ненаполненного полимера
- E m = - модуль Юнга матрицы
- E c = - модуль Юнга наполненного полимера.
Чем лучше наполнитель связывается с матрицей, тем лучше сопротивление ползучести. Многие взаимодействия будут иметь положительное влияние. Было показано, что стеклянные шарики и волокна улучшают сопротивление ползучести некоторых материалов. Оксид алюминия также положительно влияет на сопротивление ползучести . Поглощение воды снижает сопротивление ползучести заполненного материала. [11]
Свариваемость пластиковых наполнителей [ править ]
Добавление присадочных материалов может значительно повлиять на свариваемость пластика. Это также зависит от типа используемого сварочного процесса. При ультразвуковой сварке такие наполнители, как карбонат кальция и каолин, могут повысить способность смолы передавать ультразвуковые волны. [12] Для электромагнитной сварки и сварки горячими пластинами добавление талька и стекла снизит прочность сварного шва на 32%. [13] Прочность пластика после сварки будет снижаться с увеличением количества наполнителей в матрице по сравнению с массивным материалом. [14]Использование абразивных наполнителей может повлиять на инструмент, используемый для сварки. Абразивные наполнители быстрее портят сварочные инструменты, например, поверхность ультразвукового рожка, контактирующую с пластиком. Лучший способ проверить свариваемость присадочного материала - сравнить прочность сварного шва с прочностью смолы. [15] Это может быть трудно сделать, поскольку многие наполнители содержат различный уровень добавок, которые изменяют механические свойства. [15]
Применение наполнителя в пластмассовой промышленности [ править ]
Наполнитель широко используется в процессе производства пластмассовых изделий. Наполнитель используется для изменения свойств исходного пластика. Используя пластиковый наполнитель, производители могут сэкономить на производственных расходах, а также на сырье.
Несомненно значение наполнителя маточной в улучшении физических свойств пластмасс, в особенности минимизации стоимости и эффективности производства. Благодаря преимуществам цены и стабильности пластиковый наполнитель поддерживает производство:
- Выдувное формование
- Выдувная пленка и ламинация
- Экструзия (труба, лист)
- Литье под давлением
- Нетканый материал
- Рафия
- Термоформование
См. Также [ править ]
- Прелюбодейный
Ссылки [ править ]
- ^ Пельцль, Бернхард; Вольф, Райнер; Каул, Банси Лал (2018). «Пластмассы, добавки». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. С. 1–57. DOI : 10.1002 / 14356007.a20_459.pub2 .
- ^ "Отчет о рынке наполнителей: глобальный анализ отрасли, 2024" . www.ceresana.com . Проверено 14 февраля 2019 .
- ^ «Исследование рынка: наполнители (3-е издание)» . Черезана. Январь 2014 . Проверено 7 сентября 2015 года .
- ^ a b c Шривастава, Аншуман (2018-05-15). Введение в инженерию пластмасс . Уильям Эндрю. ISBN 9780323396196.
- ^ a b c d e f Гилберт, Марианна (27 сентября 2016 г.). Пластмассовые материалы Бридсона . Уильям Эндрю. ISBN 9780323370226.
- ^ a b c d e f Мерфи, Джон (2001), «Изменение особых свойств: механические свойства - наполнители» , Справочник по добавкам для пластмасс , Elsevier, стр. 19–35, doi : 10.1016 / b978-185617370-4 / 50006- 3 , ISBN 9781856173704, получено 14.02.2019
- ↑ European Plastic, Company (5 июня 2019 г.). «О карбонате кальция в маточной смеси наполнителя» .
- ^ Buildbase https://www.buildbase.co.uk/link/1/3434147_31669_t.pdf
- ^ «Заполнители, используемые в бетоне» . www.engineeringcivil.com . Проверено 3 апреля 2019 .
- ^ «Функциональные наполнители и специальные минералы для пластмасс» . Фантомные пластмассы . Проверено 20 февраля 2019 .
- ^ a b c d e f g h i j k Wypych, George. (2016). Справочник наполнителей (4-е издание) - 8. Влияние наполнителей на механические свойства наполнителей. Издательство ChemTec. Получено с https://app.knovel.com/hotlink/pdf/id:kt00CQMQQ7/handbook-fillers-4th/effect-fillers-mechanical.
- ↑ Маллой, Роберт А. (07.10.2010). «Дизайн пластиковых деталей для литья под давлением». Конструкция пластиковых деталей для литья под давлением: Введение . Конструкция пластиковых деталей для литья под давлением . С. I – XIV. DOI : 10.3139 / 9783446433748.fm . ISBN 978-3-446-40468-7.
- ^ Стюарт, Ричард (март 2007 г.). «ANTEC ™ 2007 и встреча пластмасс @ ANTEC». Пластмассовая инженерия . 63 (3): 24–38. DOI : 10.1002 / j.1941-9635.2007.tb00070.x . ISSN 0091-9578 .
- ^ «ANTEC® 2011». Пластмассовая инженерия . 67 (4): 25 апреля 2011 г. doi : 10.1002 / j.1941-9635.2011.tb01931.x . ISSN 0091-9578 .
- ^ Б PDL персонала (1997), "вибрационной сварки" , Справочник по Plastics Присоединение , Elsevier, стр 15-27,. DOI : 10.1016 / b978-188420717-4.50005-1 , ISBN 9781884207174, получено 2019-02-15
