Файл: УП Наполнители.doc

Твердость является одним из наиболее важных показателей физико-механи­ческих свойств наполнителей. Твердость кристаллов зависит от направления и типа поверхности, на которой она определяется, причем оба этих фактора зависят от ориентации кристалли­ческой решетки и расположения атомов. Только для изометрических кристал­лов, таких как кубические кристаллы металлов, твердость не зависит от на­правления. Однако обычно различия в показателях твердости в разных направ­лениях кристалла бывают настолько незначительными, что их не удается точно определить.

Размер и форма частиц наряду с твердостью определяют абразивную спо­собность наполнителей. Так, индивидуальные кристаллы диоксида титана имеют твердость по Моосу 7—7,5 и обладают высокой абразивной способностью. Однако белый пигмент на основе диоксида титана с частицами размером около 0,25 мкм без острых кромок обладает сравнительно низкой абразивной способностью. Высокая абразивная способность, присущая иногда «мягким» наполнителям, обычно обусловлена присутствием примесей в материале. Например, высокая абразивная способность неочищенного каолина объясняется присутствием в его составе кремнезема. Кремнезем обычно имеет более крупные частицы, чем основ­ной материал, что и придает ему высокую абразивную способность.

Коэффициент трения наполнителей зависит от формы частиц, состояния их поверхности и природы связи между ними. Так, поверхность пластинчатых кристаллов талька состоит в основном из кремнезема, что обусловливает низкую энергию ван-дер-ваальсовских связей между ними и приводят к сравнительно легкому их разделению. Кроме того, поверхность талька гидрофобна, поэтому наблюдающаяся на других твердых поверхностях нейтрализация зарядов адсор­бированным слоем воды в тальке проявляется слабо и не сказывается на его коэффициенте трения. Аналогичную пластинчатую структуру имеет графит, также обладающий низким коэффициентом трения. Шероховатость поверхности, наличие острых кромок и твердых частиц являются основными причинами, по­вышающими трение частиц наполнителей между собой или с другими компо­нентами.

Важным физическим свойством частиц наполнителей является пористость и сорбциониая способность. Например, диатомит является высокопористым ске­летом кремниевых водорослей (диатом). Пористость древесной муки и порошка из скорлупы орехов может иметь естественное или искусственное происхождение. Крупные частицы мела являются пористыми вследствие слипания мелких кристаллов.

Электрические свойства. Различие в электрических свойствах дисперсных наполнителей проявляется только в отсутствие влаги. Фактически на любых твердых поверхностях моле­кулы воды образуют тонкий адсорбционный слой, прочность сцепления которого с поверхностью зависит от ее природы. Поэтому электрические свойства отдель­ных частиц в обычных условиях могут существенно отличаться от свойств порошков наполнителей. В самом общем виде можно говорить о высокой электропроводности металлических наполнителей и низкой — наполнителей с ионными и ковалентными связями. Электропроводность некоторых кристаллов зависит от кристаллографического направления. Так, например, электропроводность графита вдоль пластинчатых кристаллов выше, чем в поперечном направлении. При сочетании ионных и металлических связей наполнители обладают полупроводниковыми свойствами.

Наполнители, на поверхности которых находятся гидроксильные группы, легко адсорбируют свободные ионы, загрязнения в виде соединений поливалентных металлов, воду и водорастворимые вещества, повышающие их поверхностную электропроводность.

Высокие плотности тока или зарядов способны вызывать карбонизацию органических наполнителей с образованием электропроводящих углеродных мостиков. Очевидно, что использование наполнителей может привести как к улучшению, так и ухудшению электрических свойств полимерных материалов.

Химическая стойкость.

Коррозионная стойкость. При полном диспергировании частиц наполнителя предполагается, что они равномерно распределены в матрице, образующей непрерывную фазу. Поэтому химическая стойкость наполненных композиций определяется главным образом химической стойкостью полимерной матрицы. В наполненных пленках или деталях, получаемых методами пневмоформования, частицы наполнителя могут находиться вблизи поверхности и ухудшать их внешний блеск. В этом случае проницаемость полимера для корродирующих веществ в решающей степени определяет выбор наполнителя. Это же относится и к выбору наполнителя для полимерных компо­зиций, работающих при длительном контакте с агрессивными средами, например, для изготовления контейнеров для хранения агрессивных сред. В динамических условиях эксплуатации наполненных композиций, как это наблюдается в случае трубопроводов, насосов, цистерн и т. п., в которых возмо­жен также абразивный износ материалов, необходимо, чтобы наполнитель по химической стойкости не уступал полимеру матрицы и повышал его абразивную износостойкость.

Пористость наполнителей типа древесной муки, коры, пробки, диатомита практически не влияет на кратковременную стойкость композиций к действию химически активных веществ и влаги при равномерном распределении наполни­теля в полимерной матрице. Поры, образующиеся при высокотемпературной переработке наполненных композиций, могут служить ловушкой паров или жидкостей, проникающих в матрицу.

Проницаемость. Неорганические дисперсные наполнители обычно снижают проницаемость полимеров для газов и жидкостей при условии, что адгезионные связи не раз­рушаются под воздействием пенетранта. Полимерные композиции с наполни­телями, водопоглощение которых достигает 0,04% или более (мел, волластонит, ангидрит, белая глина) обычно резко теряют прочность после выдержки во влаж­ной среде и особенно в воде. Сорбируемые вещества или модификаторы поли­мерных композиций могут вызывать разрыв связей по границе раздела напол­нитель—матрица с образованием пустот, в том числе сквозных, что резко уве­личивает влагопоглощение композитов.

Реакции на границе раздела. К химическим эффектам в наполненных полимерных композициях относятся реакции поверхностных групп или содержащихся в наполнителях примесей с по­лимерами или модифицирующими добавками. Большинство наполнителей, а возможно и все, являются химически реакционноспособными. Полимеры, как правило, также содержат химически активные группы или до­бавки, способные реагировать с активными группами, имеющи­мися на поверхности наполнителей. В большинстве случаев химическая актив­ность наполнителей проявляется в хемосорбции полимерных молекул с образо­ванием ионных и ван-дер-ваальсовых связей.

На поверхности практически всех порошкообразных веществ обычно при­сутствует вода в конденсированном или химически связанном состоянии. В ком­позициях на основе карбонатов кальция или магния и ненасыщенных олигоэфи­ров вода катализирует реакции между поверхностью наполнителя и свободными карбоксильными группами олигоэфиров, особенно при температуре ниже 100 °С. В результате реакции выделяется диоксид углерода, вызывающий образование микропор. Реакция отверждения в эпоксидных смолах ката­лизируется в присутствии следов влаги, а в процессе образования полиуретанов взаимодействие изоцианатных или изоциануратных групп с водой приводит к выделению диоксида углерода и вспениванию композиций. Силикаты обычно содержат на поверхности силанольные или алюминольные группы, которые входят в их состав или образуются в процессе получения порош­ков. Эти группы являются донорами протонов. Поэтому акцепторы протонов, такие как амины и другие ониевые соединения, способны прочно связываться с поверхностью силикатных наполнителей. Эпоксидные смолы, реакции которых катализируются донорами протонов, способны отверждаться в присутствии каолина, оксида кремния и других наполнителей с кислотной природой поверх­ности.

2 Карбонат кальция

Карбонат кальция чрезвычайно широко распространен в природе. Он является основой многих горных пород, коралловых и других образований. Во всех живых организмах – от низших морских ракушек, кораллов и моллюсков до высших позвоночных животных, - карбонат кальция является одним из основных компонентов несущих и защитных систем. Доля карбоната и фосфата кальция в скелетных структурах превосходит другие компоненты.

Карбонат кальция (CaCO₃) находит широкое применение в качестве наполнителя полимерных композиционных материалов благодаря ряду ценных свойств, из которых необходимо отметить следующие:

• низкая стоимость;

• нетоксичность, безвредность, отсутствие запаха;

• белый цвет и низкий показатель преломления, позволяющие легко регулировать окраску полимерных материалов;

• низкая твердость (для стандартных продуктов она равна 3 по шкале твердости по Мосу);

• отсутствие кристаллизационной воды;

• большие запасы природного сырья;

• широкий интервал размеров частиц (наиболее широкий среди всех известных дисперсных наполнителей);

• простота регулирования распределения частиц по размерам, что позволяет получать оптимальную упаковку частиц в различных полимерных системах;

• возможность нанесения покрытий на поверхность частиц наполнителя для улучшения реологических свойств расплавов полимерных композиций, причем покрытия легко наносятся на сухой порошок при использовании высокопроизводительных смесителей;

• легкость распределения частиц наполнителя в большинстве полимеров и способность облегчать введение других ингредиентов композиций;

• способность очищать поверхность технологической оснастки в процессе переработки композиций на его основе;

• способность нейтрализовать кислоты и оказывать вторичный стабилизирующий эффект на композиции на основе ПВХ вследствие нейтрализации ионов хлора;

• способность уменьшать усадку при формовании и отверждении;

• относительно низкая жесткость полимерных материалов на его основе даже при высоких степенях наполнения (иногда это может оказаться недостатком);

• стабильность свойств в широком интервале температур: карбонат кальция разлагается с образованием оксида кальция (CaO) и диоксида углерода (CO₂) при температурах около 800-900°C.