Виды наполнителей. Классификация

Существует ряд подходов при классификации наполнителей по различным признакам. По агрегатному состоянию все известные наполнители делятся

-газообразные

-жидкие

- твердые.

По своей природе они делятся

- органические

-неорганические;

по источнику получения - нарастительные, синтетические, минеральные;

по назначению - на армирующие, упрочняющие, усиливающие, нейтральные;

по размерам, форме частиц и структуре - на четыре основных вида:

-дисперсные (порошкообразные);

- волокнистые (волокна, нити, жгуты);

-листовые (пленочные) с заданной структурой (ткани, бумага, листы, ленты, сетки, пленки);

-объёмные (каркасные) с непрерывной трехмерной структурой (объемные ткани, войлок, скелетные и пористые каркасы).

Дисперсные наполнители:

Дисперсные наполнители - наиболее распространенный вид наполнителей ПКМ в качестве которых выступают разнообразные вещества органической и неорганической природы. Одним из основных назначений дисперсных наполнителей является снижение стоимости композиций. В основном это порошкообразные вещества с различным размером частиц - от 2-10 до 200-300 мкм. К числу важнейших требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка).

Свойства некоторых наиболее распространенных видов дисперсных минеральных наполнителей.

---Каолин (белая глина - гидратированный силикат алюминия) - получается из минерала каолинита путем его измельчения. Используется двух видов — очищенный и прокаленный, у которого удалена гидратационная вода. Частицы каолина имеют структуру пластинчатых чешуек, отличаются высокой степенью белизны; они плохо диспергируются в большинстве полимеров. Из-за большой величины площади поверхности введение каолина способствует значительному повышению вязкости.

---Тальк(гидратированный силикат магния) - получается из ряда природных пород путем обогащения, дробления, измельчения (тонкого помола) и фракционирования. Представляет собой тонкоизмельченный порошок белого цвета с пластинчатыми частицами различного размера (от 10 мкм до 70 мкм). Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.

----- Кварц (диоксид кремния, SiO2). Существует ряд модификаций диоксида кремния аморфной и кристаллической структуры, используемых в качестве дисперсных наполнителей. Часть из них имеет минеральное происхождение и получается на основе природного сырья (кварцит, трепел, диатомит, новакулит), часть получается синтетическим путем (пирогенетический, осажденный диоксид кремния). Эти модификации отличаются по своему химическому составу, форме и размеру частиц, стоимости, областям применения.

-----Кварцевая мука представляет собой измельченный кварцит со средним размером частиц от 5 до 150 мкм (чистый кварцевый песок). Из-за относительно высокой твердости характеризуется повышенным износом технологического оборудования. При высоких степенях наполнения повышает хрупкость. Широко применяется для наполнения термопластов конструкционного назначения, а также реактопластов с повышенными механическими и электрическими характеристиками. И другие(древесная мука- представляет собой тонкоизмельченную и высушенную древесину волокнистой структуры. Она используется для усиления пластмасс, Сажа (технический углерод) - занимает большое место в качестве порошкообразных наполнителей пластмасс. Графит - представляет собой минерал, имеющий слоистую структуру; может быть получен искусственным путем из антрацита при нагревании без доступа воздуха. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью. В качестве наполнителя используется аморфный графит в тонкоизмельченном виде (коллоидный графит).

Волокнистые наполнители. Волокнистые наполнители среди всех наполнителей занимают второе место после дисперсных по частоте применения. Они применяются в виде нитей, жгутов, ровингов, при создании конструкционных, высокопрочных и высокомодульных полимерных композитов. Волокнистые наполнители получают из металлов (железа, вольфрама, титана, молибдена), кварца, базальта, керамики. Наибольшим распространением пользуются стеклянные, углеродные, базальтовые, борные и полимерные волокна диаметром 5-100 мкм, круглого и профильного сечений. Основные виды волокон (углеродные, стеклянные) выпускаются круглого сечения диаметром 8-20 мкм, а также треугольного, ромбического и других форм сечения. Непрерывные волокна, имеющие форму сечения отличную от круглой, называются профильными (рис. 1). Применение волокон различных профилей позволяет уменьшить плотность пластиков, увеличить удельную жёсткость и прочность при сжатии, повысить теплоизолирующие и диэлектрические свойства. Что в свою очередь дает возможность увеличить плотность упаковки волокон в композиции и повысить прочность пластика. Также производятся полые волокна, которые позволяют снизить плотность композиционного армированного материала.

Для улучшения адгезии на границе волокно - полимер, выпускаемые волокна аппретируются. В качестве аппретов чаще всего используют кремнийорганические и металлсодержащие органические соединения.

Волокнистым наполнителям можно придать и зафиксировать различную структуру. По структуре волокнистые наполнители классифицируются на четыре группы: однонаправленные непрерывные, тканевые, объемного плетения и нетканые .Таким способом можно получить первичные кручёные нити, ленты и различные типы армирующих наполнителей - ровинги (жгуты), ткани, плёнки, бумагу, холст, сетки и др.

----Стеклянные волокна являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве армирующего наполнителя. Основными достоинствами этих волокон являются низкая стоимость, простота производства и переработки, а также высокая прочность при условии осторожного обращения с ними после вытяжки, хотя, в любом случае, процессы рубки волокон и формирования изделий из наполненных композиций, неизбежно сопровождаются разрушением некоторой части волокон. При всех достоинствах, стеклянные волокна имеют два существенных недостатка, первый - низкая жесткость, что требует усиления элементов конструкций из стеклопластиков и препятствует полной реализации прочности волокон, и второй недостаток - значительная потеря прочности при увеличении влажности среды или непосредственном контакте с водой. При этом даже путем длительной сушки в вакууме не удается достичь полной десорбции влаги с поверхности волокон и как следствие - восстановить изначальную прочность материала.

----Углеродные волокна значительно более жесткие, а поскольку по прочности они не уступают лучшим стеклянным волокнам, напряжения, которые выдерживают материалы на их основе, значительно выше, чем в случае стеклопластиков при меньших допустимых деформациях. Эти волокна, также как и стеклянные, производятся непрерывным способом и технология производства изделий из материалов на их основе незначительно отличается от технологии изготовления изделий из стеклопластиков.

Из свойств углеродных волокон стоит особо отметить – высокую прочность и модуль упругости при растяжении и изгибе по сравнению со стеклопластиками, малую плотность, высокую электропроводность, низкие коэффициенты трения и термического расширения.

Борные волокна характеризуются – высокой прочностью и жесткостью и в то же время низкой плотностью, что резко отличает их от других волокнистых наполнителей композиционных материалов. Материалы на основе борных волокон обладают значительно более высокими показателями механических свойств, чем материалы на основе стеклянных и углеродных волокон. Также обладают более высокими механическими характеристиками (за исключением прочности при сдвиге), чем алюминиевые и титановые сплавы.

Листовые наполнителиЛистовые и слоистые наполнители, к которым относятся ткани, холсты, сетки, бумага, пленки, ленты, фольга, шпон и др., находят широкое применение в производстве плоских и крупногабаритных изделий из ПКМ.Ткани - получают в процессе ткацкого производства путем переплетения взаимно перпендикулярных продольных (основы) и поперечных (утка) стеклянных волокон диаметром 3-100 мкм. В зависимости от типа чередования нитей различают полотняное, саржевое, сатиновое переплетение; также, в определенных случаях могут использоваться многослойные и трикотажные ткани. Кроме типа плетения, ткани характеризуются плотностью (количеством нитей на 1 см2), толщиной и впитывающей способностью. Ткани изготавливаются в основном из крученых нитей, однако для изготовления тканей используются также жгуты (стеклянные, углеродные). Такие ткани хорошо формуются и позволяют регулировать анизотропию свойств в изделиях.В производстве различных видов изделий используют ткани из хлопковых, льняных, асбестовых, базальтовых, углеродных, стеклянных волокон, а также ткани на основе синтетических, в том числе высокопрочных углеродных волокон.

Бумага - представляет собой слоистый материал из хаотически распределённых волокон, скрепленных связующим. Преимуществом материалов на основе бумаги является низкая стоимость, гладкая поверхность, легко регулируемая толщина, возможность изменения формы и размеров.Бумаги, применяемые в качестве наполнителя, производятся главным образом из различных видов сульфатной целлюлозы; кроме того, для изготовления бумаги могут использоваться сульфитная целлюлоза, хлопковая целлюлоза, а также древесная масса. Основные области применения бумаги в качестве наполнителя - производство декоративных бумажно-слоистых пластиков (ДБСП) и производство электротехнического гетинакса,а также для изготовления сотового заполнителя при производстве сэндвич-панелей, в основном в самолето- и судостроении.

Холст- представляет собой полотно из дезориентированных рубленых стеклянных волокон, связанных друг с другом полимерным связующим.

Другой вид нетканых материалов - иглопробивные холсты, которые получаются при пробивке иглами волокнистого холста; за счет возвратно-поступательного движения игл происходит перепутывание волокон, фиксирующее волокнистую структуру, которая потом закрепляется с помощью связующего.