Файл: УП Наполнители.doc

Применение повышенного давления при получении таких композиций обычно приводит к повышению их прочности. Предельная концентрация металлических наполнителей определяется главным образом способами получения и переработки наполненных полимеров и обычно соответствует такому значению, выше которого наблюдается резкое увеличение вязкости наполненных композиций с образованием паст.

Адсорбированная влага на чистой или окисленной поверхности металлических порошков может оказывать существенное влияние на свойства наполненных полимерных материалов, поэтому металлические наполнители необходимо предварительно высушивать для обеспечения улучшенных свойств материалов на их основе.

Высоконаполненные металлическими порошками полимерные пленки часто получают с использованием растворов полимеров и последующим удалением растворителя.

Размер и форма частиц наполнителя оказывает решающее влияние на свойства металлсодержащих полимеров. В настоящее время существует широкие возможности выбора частиц металлов нужной формы и размеров. Плоские частицы алюминиевых и медных сплавов придают полимерным покрытиям на их основе приятную окраску. Введение нитевидных кристаллов сплавов железа приводит к повышению ударной прочности наполненных композиций. Порошки с идеально сферической формой частиц получаются при разложении карбонилов металлов. С целью экономии дорогостоящих материалов, например серебра, используют не частицы металла, а покрытые тонким слоем этого металла частицы неорганических дисперсных, например стеклянных наполнителей (микросфер).

Обеспечение заданной плотности упаковки частиц наполнителя и достижение требуемых физико-механических, электрических и теплофизических свойств может достигаться сочетанием в различном соотношении нескольких металлических порошков с частицами различной формы и размеров.

Среди неметаллических композиционных материалов наибольшее распространение получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, феноло-формальдегидной и полиимидной. По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц композиционных материалов, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами, что обеспечивает более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге. Одним из способов улучшения свойств является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами. Введение в матрицу 15% или 7,6%повышает модуль упругости при изгибе полиметиленфенольной матрицы соответственно на 25 и 50%.Увеличение прочности объясняется не столько повышением прочности самой матрицы (она изменяется мало), сколько увеличением жесткости и адгезионной прочности ее сцепления с волокнами.

Вводимые в полимер наполнители влияют на скорости зародышеобразования и роста кристаллов. Наполнители повышают напряжение на границе раздела полимер-наполнитель, тем самым ускоряя процесс зародышеобразования и соответственно повышая общую скорость кристаллизации, но в ряде случаев (активные наполнители в среде эластомеров) наполнитель увеличивает степень сшивания полимера, вызывая замедление кристаллизации.

При введении наполнителя в реакционную систему в случае формирования линейных полимеров или сетчатых ускоряющее действие поверхности может зависеть от ее влияния на перераспределение внутри- и межмолекулярных связей.

Введение наполнителя в кристаллизующиеся полимеры оказывает влияние на все структурные и физико-механические характеристики материала. Причиной всех изменений являются межфазные явления на границе полимер-наполнитель и возникновение межфазных слоев с измененными характеристиками вследствие межфазных взаимодействий.

8 Технический углерод

Технический углерод (техуглерод, ТУ; англ. Carbon black) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах. Иногда для наименования технического углерода применяют термин «сажа», что является неточным, поскольку он (в отличие от термина «технический углерод») описывает углеродные продукты, полученные в неконтролируемых условиях, для которых не характерен фиксированный набор свойств.

Структура. Частицы технического углерода представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур. Межплоскостное расстояние между графитоподобными слоями составляет 0,35—0,365 нм (для сравнения, в графите 0,335 нм). Размер частиц (13—120 нм) определяет «дисперсность» технического углерода. Физико-химическим показателем, характеризующим дисперсность, является удельная поверхность. Поверхность частиц обладает шероховатостью, за счёт наползающих друг на друга слоёв. Мерой шероховатости служит соотношение между показателями удельной поверхности технического углерода и его йодным числом (поскольку йодное число определяет полную поверхность частиц с учётом шероховатостей). Частицы в процессе получения объединяются в т. н. «агрегаты», характеризуемые «структурностью» — разветвлённостью, мерой которой служит показатель абсорбции масла. Агрегаты слипаются в менее прочные образования — «хлопья».

Кроме атомов углерода в составе технического углерода присутствую атомы серы, кислорода, азота.

Технический углерод обладает высокоразвитой поверхностью (5—150 м²/г), со значительной активностью. На поверхности обнаруживаются концевые группы (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), а также сорбированные остатки неразложившихся углеводородов. Их количество напрямую зависит от способа получения и последующей обработки углеродных частиц. Для получения пигментов часто частицы технического углерода подвергают окислительной обработке кислотами.

Истинная плотность частиц технического углерода — 1,76—1,9 г/см³. Насыпная плотность хлопьевидного («пылящего») техуглерода составляет 30—70 кг/м³. Для удобства транспортирования и использования технический углерод гранулируют до плотности 300—600 кг/м³.

Применение. Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и других пластических масс. Около 70 % всего выпускаемого технического углерода используется в производстве шин, ~20 % в производстве резино-технических изделий. Остальное количество находит применение в качестве чёрного пигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего пластмассам специальные свойства: (электропроводные, способность поглощать ультрафиолетовое излучение, излучение радаров).

Возникновение проводимости при использовании сажи связано с образованием цепочек из частиц сажи, обладающих электронной проводимостью. Сажа используется в многочисленных полимерах для ускорения стекания с них статических зарядов.

Следует отметить, что кроме прекрасных физических свойств технический углерод придаёт наполненным полимерам чёрную окраску. В связи с чем, для производства пластмасс, для которых важен конечный цвет (например, обувной пластикат) в качестве усиливающего наполнителя применяют так называемую «белую сажу» (аэросил) — высокодисперсный оксид кремния. Доля «белой сажи» возрастает и в производстве автомобильных шин, поскольку резиновые вулканизаты на её основе обладают значительно меньшими потерями на трение при качении, что приводит к экономии топлива. Однако, усиливающее действие «белой сажи» и сопротивляемость вулканизатов истиранию пока существенно хуже, чем при использовании технического углерода.

Способы получения. Существует несколько промышленных способов получения технического углерода. В основе всех лежит термическое (пиролиз) или термоокислительное разложение жидких или газообразных углеводородов. В зависимости от применяемого сырья и метода его разложения различают:

печной — непрерывный процесс, осуществляемый в закрытых цилиндрических проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё впрыскивается механическими или пневматическими форсунками в поток газов полного сгорания топлива (природный газ, дизельное топливо). Полученную реакционную смесь для прекращения реакций газификации охлаждают, впрыскивая в поток воду. Техуглерод выделяют из отходящего газа и гранулируют;

ламповый — непрерывный процесс, осуществляемый в специальных проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё испаряется за счёт подвода теплоты к чаше, в которой оно находится. Реакционный канал в хвостовой части реактора охлаждается через стенку водой. Техуглерод выделяют из отходящего газа и упаковывают;

термический — процесс осуществляется в парных реакторах объёмного типа, работающих попеременно. В один из реакторов подают газ (природный, ацетилен) в смеси с воздухом, который, сгорая, нагревает футеровку реактора. В это время во второй предварительно нагретый реактор подают только газ (без воздуха), в ходе протекания реакции футеровка остывает, подачу газа переводят в подготовленный реактор, а остывший разогревают, как описано выше;