Наполнитель (материалы) - Filler (materials)

Для использования в других целях см. Наполнитель (значения).
Использование пластика по отраслям

Наполнитель материалы - это частицы, добавленные к смоле или связующим (пластмассы, композиты, бетон ), которые могут улучшить определенные свойства, удешевить продукт или и то, и другое.[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 наполнителей используются измельченный карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (PCC), каолин, тальк и технический углерод.[3] Материалы наполнителя могут влиять на прочность на разрыв, ударную вязкость, термостойкость, цвет, прозрачность и т. Д. Хорошим примером этого является добавление тальк к полипропилен.[4] Большинство наполнителей, используемых в пластмассах, представляют собой наполнители на минеральной или стеклянной основе.[4] Твердые частицы и волокна являются основными подгруппами присадочных материалов. Твердые частицы - это небольшие частицы наполнителя, которые смешиваются в матрице, где важны размер и соотношение сторон. Волокна представляют собой небольшие круглые пряди, которые могут быть очень длинными и иметь очень высокое соотношение сторон.[5]

Типы

Порошок карбоната кальция CaCO3 широко используется как наполнитель.

Карбонат кальция (CaCO3)

Карбонат кальция, называемый в пластмассовой промышленности «мелом», получают из известняка и мрамора. Он используется во многих областях, включая ПВХ и ненасыщенные полиэфиры. До 90% CaCO3 можно использовать для изготовления композита. 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 наполнителе маточная смесь как база 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

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 армированных стекловолокном веществ.[6]

Гидроксид магния (тальк)

Блок талька.

Тальк, мягкий минерал и, как правило, дороже, чем карбонат кальция. Он получен из многослойных листов гидроксид магния с кремнеземом. В пластмассовой промышленности он используется для упаковки и пищевых продуктов из-за его длительной термостойкости.[6][5]

Волластонит (CaSiO3)

Волластонит имеет игольчатый структура с относительно высокой удельный вес и высокая твердость. Этот наполнитель может улучшить содержание влаги, носить сопротивление, термическая стабильность и высокая диэлектрик 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

Стеклянная микросфера наполнитель (слева) и волокнистые наполнители (справа)

Стекло наполнители бывают нескольких видов: стеклянные шарики, короткие стекловолокно, длинное стекловолокно. в пластиках по тоннажу.[5] Стекловолокно используется для повышения механических свойств термопласт или термореактивный такие как модуль упругости при изгибе и предел прочности на разрыв. Добавление стекла в качестве наполнителя обычно не приносит экономической выгоды. Некоторые недостатки наличия стекла в матрице - низкое качество поверхности, очень вязкий в расплавленном состоянии низкая свариваемость и коробление.[5] Стеклянные бусины улучшат маслоемкость и химическую стойкость.[6]

Нанонаполнители

Нанонаполнитель имеют размер частиц менее 100 нанометры. Они имеют высокое соотношение сторон и в основном используются как устойчив к царапинам и огнестойкие наполнители.[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

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

Наполнитель для каменной кладки используется для ремонта трещин и дыр в наружных стенах и обычно делается с использованием цемента и гашеная известь. Производители включают Toupret.[8]

Другие наполнители

Бетон наполнители включают гравий, камень, песок, и арматура. Гравий, камень и песок используются для удешевления бетона. Арматура используется для укрепления бетона.[9]

Таблица присадочных материалов и физических свойств[10]
Тип наполнителяПлотность

(г / см3)

Твердость по МоосуСредний размер

(Микроны)

Соотношение сторон / форма
Карбонат кальция2.73-40.02-301-3 Блочный
Тальк2.7-2.810.5-205-40 Тарелка
Волластонит2.94.51-5005-30 волокна
Слюда2.8-2.92.5-45-100020-100 пластина
Каолин2.620.2-810-30 Тарелка
Кремнезем (осажденный)1.9-2.15.50.005-0.1~ 1 раунд
Угольно черный1.7-1.92-30.014-0.25~ 1 раунд
Доломит2.853.5-41-30~ 1 раунд
Сульфат бария4.0-4.53-3.50.1-30~ 1 раунд
ATH Al (OH)32.422.5-35-801-10 пластина
MDH Mg (OH)22.42.5-30.5-81-10 пластина
Кизельгур2-2.55.5-64-302-10 диск
Магнетит / гематит5.25.5-61-50~ 1 Блочный
Галлуазит2.542.51-205-20 трубка
Оксид цинка5.64.50.05-101 раунд
Оксид титана4.2360.1-101 раунд

Механические свойства

Предел прочности

Предел прочности это наиболее часто используемый метод оценки присадочных материалов. Прочность композита на растяжение можно рассчитать с помощью уравнения

σc= σп(1-aΦбж + cΦжd)[11]

где

σc = предел прочности композита
σп = предел прочности полимерной матрицы
Φж = 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

В модуль упругости (Модуль для младших ) наполненного полимера можно найти с помощью следующего уравнения:

E = E0 (1 + 2,5Φ + 14,1Φ2)[11]

где:

E0 = 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. Дополнения карбонат кальция и тальк увеличит модуль упругости, а добавление эластичного наполнителя может немного снизить стоимость. Наполнители увеличивают модуль упругости за счет ребристых частиц и хорошей адгезии.[11]

Ударопрочность (ударная вязкость)

Обычно наполнители повышают ударопрочность. Факторами, способствующими повышению ударопрочности, являются размер частиц, их форма и их жесткость. Волокна в наибольшей степени улучшают ударопрочность благодаря своей большой соотношение сторон. Наполнители с низкой твердостью снизят ударную вязкость. Размер частиц в определенном диапазоне может повысить ударную вязкость в зависимости от материала наполнителя.[11]

Износостойкость

В носить объем (Втs) для пластиковых материалов можно рассчитать:

Ws = KμPDW / (EIs)[11]

где:

K = константа пропорциональности
P = сила
E = модуль
D = расстояние скольжения
W = нагрузка
яs= Прочность на межслойный сдвиг

Матрица и наполнитель способствуют износостойкости. Как правило, для уменьшения коэффициент трения материала. Размер и форма частиц являются определяющими факторами. Меньший размер частиц увеличивает износостойкость, потому что они вызывают меньше мусора. кремнезем, глинозем, дисульфид молибдена, и графит порошки - распространенные наполнители, улучшающие износостойкость.[11]

Сопротивление усталости

Наполнитель может оказывать отрицательное или положительное влияние на усталость стойкость в зависимости от типа и формы наполнителя. Обычно наполнители создают в матрице небольшие разрывы. Это может способствовать возникновению трещины. Если наполнитель хрупкий, сопротивление усталости будет низким, тогда как если наполнитель очень пластичный то составной будет устойчив к усталости. 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

Наполнители имеют большое влияние на термическую деформацию кристаллических полимеров. Аморфный на полимеры незначительно влияет присадочный материал. Для отвода тепла чаще всего используются добавки из стекловолокна. Углеродные волокна Было показано, что некоторые основные материалы лучше, чем стекло. Как правило, волокнистые материалы лучше отводят тепло, чем наполнители из частиц.[11]

Ползать

Ползать на сопротивление сильно влияют присадочные материалы. Уравнение ниже показывает деформацию ползучести наполненного материала:[11]

εc(t) / εм(t) = Eм/ Ec

где:

εc(t) = деформация наполненного полимера
εм(t) = деформация матрицы или ненаполненного полимера
Eм = - модуль Юнга матрицы
Ec = - модуль Юнга наполненного полимера

Чем лучше наполнитель связывается с матрицей, тем лучше сопротивление ползучести. Многие взаимодействия будут иметь положительное влияние. Стеклянные бусины и волокна улучшают качество ползать сопротивление в некоторых материалах. Оксид алюминия также положительно влияет на ползать сопротивление. Поглощение воды снижает сопротивление ползучести заполненного материала.[11]

Свариваемость пластиковых наполнителей

Добавление наполнителей может резко повлиять на свариваемость из пластика. Это также зависит от типа используемого сварочного процесса. За ультразвуковая сварка, наполнители вроде карбонат кальция и каолин может увеличить способность смолы передавать ультразвуковые волны.[12] Для электромагнитной сварки и сварка горячей пластиной дополнения тальк и стекло снизит прочность сварного шва на 32%.[13] Прочность пластика после сварки будет уменьшаться с увеличением количества наполнителей в матрице по сравнению с объемным материалом.[14] Использование абразивных наполнителей может повлиять на инструмент, используемый для сварки. Абразивные наполнители быстрее разрушают сварочные инструменты, например, поверхность ультразвукового рожка, контактирующую с пластиком. Лучший способ проверить свариваемость присадочного материала для сравнения прочности сварного шва с прочностью смолы.[15] Это может быть сложно сделать, поскольку многие присадочные материалы содержат различный уровень добавок, которые изменяют механические свойства.[15]

Применение наполнителя в пластмассовой промышленности

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

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Пельцль, Бернхард; Вольф, Райнер; Каул, Банси Лал (2018). «Пластмассы, добавки». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Вайнхайм: Wiley-VCH. С. 1–57. Дои:10.1002 / 14356007.a20_459.pub2.
  2. ^ «Отчет о рынке наполнителей: глобальный анализ отрасли, 2024 г.». www.ceresana.com. Получено 2019-02-14.
  3. ^ «Исследование рынка: наполнители (3-е издание)». Черезана. Январь 2014. Получено 7 сентября 2015.
  4. ^ а б c Шривастава, Аншуман (15.05.2018). Введение в инженерию пластмасс. Уильям Эндрю. ISBN  9780323396196.
  5. ^ а б c d е ж Гилберт, Марианна (27.09.2016). Пластмассовые материалы Brydson. Уильям Эндрю. ISBN  9780323370226.
  6. ^ а б c d е ж Мерфи, Джон (2001), «Изменение особых свойств: механические свойства - наполнители», Справочник по добавкам для пластмасс, Elsevier, стр. 19–35, Дои:10.1016 / b978-185617370-4 / 50006-3, ISBN  9781856173704, получено 2019-02-14
  7. ^ Компания European Plastic (5 июня 2019 г.). «О карбонате кальция в маточной смеси наполнителя».
  8. ^ Buildbase https://www.buildbase.co.uk/link/1/3434147_31669_t.pdf
  9. ^ «Наполнители, используемые в бетоне». www.engineeringcivil.com. Получено 2019-04-03.
  10. ^ «Функциональные наполнители и специальные минералы для пластмасс». Фантомные пластмассы. Получено 2019-02-20.
  11. ^ а б c d е ж г час я j k Выпич, Георгий. (2016). Справочник наполнителей (4-е издание) - 8. Влияние наполнителей на механические свойства наполнителей. Издательство ChemTec. Полученное из https://app.knovel.com/hotlink/pdf/id:kt00CQMQQ7/handbook-fillers-4th/effect-fillers-mechanical
  12. ^ 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. Дои:10.3139 / 9783446433748.fm. ISBN  978-3-446-40468-7.
  13. ^ Стюарт, Ричард (март 2007 г.). «ANTEC ™ 2007 и встреча пластмасс @ ANTEC». Пластмассовая инженерия. 63 (3): 24–38. Дои:10.1002 / j.1941-9635.2007.tb00070.x. ISSN  0091-9578.
  14. ^ «АНТЕК® 2011». Пластмассовая инженерия. 67 (4): 25 апреля 2011 г. Дои:10.1002 / j.1941-9635.2011.tb01931.x. ISSN  0091-9578.
  15. ^ а б Персонал PDL (1997), «Вибросварка», Справочник по соединению пластмасс, Elsevier, стр. 15–27, Дои:10.1016 / b978-188420717-4.50005-1, ISBN  9781884207174, получено 2019-02-15