Наполнители не только снижают производственные затраты и увеличивают прибыль, но и в некоторой степени улучшают такие свойства, как термостойкость, коррозионная стойкость, твёрдость поверхности, прочность, износостойкость, огнестойкость и изоляционные свойства. Для пластмасс широко используются такие наполнители, как стекловолокно, карбонат кальция, стеклянные микросферы, силикатные минералы и диоксид титана.
Стекловолокно
Стекловолокно – широко используемый наполнитель в инженерных пластиках. Его основным компонентом является диоксид кремния, а также другие производные оксиды металлов. Основным международным методом производства является метод вытяжки в ванных печах. В зависимости от содержания щелочи в стекле стекловолокно подразделяется на бесщелочное, среднещелочное и высокощелочное. В инженерных пластиках в основном используются рубленые безщелочные и некрученые длинные стекловолокна. После добавления стекловолокна инженерные пластики претерпевают следующие изменения:
Преимущества:
Повышенная жесткость и твердость: добавление стекловолокна повышает прочность и жесткость пластмасс.
Повышенная термостойкость и предельная температура изгиба при нагревании: например, добавление стекловолокна к нейлону повышает его предельную температуру изгиба при нагревании как минимум на 30 °C. Как правило, нейлон, армированный стекловолокном, выдерживает температуру свыше 220 °C.
Другие преимущества: улучшенная размерная стабильность и уменьшенная усадка. Уменьшенная деформация коробления. Уменьшенная ползучесть. Уменьшенное влагопоглощение.
Недостатки:
Повышенный модуль упругости изделия может снизить его прочность. Это негативно влияет на огнестойкость из-за фитильного эффекта, который препятствует функционированию огнезащитной системы и снижает её эффективность. Выступающие наружу стекловолокна также могут снижать блеск поверхности пластиковых изделий.
Длина стекловолокна напрямую влияет на хрупкость материала. Плохо обработанные короткие волокна могут снизить ударную вязкость, в то время как хорошо обработанные длинные волокна могут её повысить. Выбор правильной длины волокна имеет решающее значение для минимизации хрупкости.
Содержание волокон в продукте также имеет решающее значение. В отраслевых стандартах обычно используются целые процентные значения, такие как 15%, 25%, 30% или 50%, в зависимости от области применения продукта.
Достижение оптимальных механических свойств и поверхностных эффектов требует тщательного учета диаметра волокна, длины, обработки поверхности во время модификации и содержания волокна.
Карбонат кальция
Карбонат кальция подразделяется на тяжёлый и лёгкий. Тяжёлый карбонат кальция, сокращённо GCC, получают путём механического дробления природного кальцита, известняка, мела, ракушечника и т.д. Его называют «тяжёлым», поскольку объём его осадка меньше, чем у лёгкого карбоната кальция. В настоящее время промышленное производство GCC осуществляется двумя способами: сухим и мокрым. Сухой способ позволяет получать экономичную и широко применяемую продукцию по сравнению с мокрым.
Лёгкий карбонат кальция, сокращённо PCC, или осажденный карбонат кальция, получают путём прокаливания сырья, например, известняка, с получением извести (в основном оксида кальция и углекислого газа). Затем известь гидратируют, образуя известковое молоко (в основном гидроксид кальция), которое насыщают углекислым газом для осаждения карбоната кальция. Затем его дегидратируют, сушат и измельчают. Альтернативно, его можно получить путём двойной реакции разложения карбоната натрия и хлорида кальция с образованием осадка карбоната кальция, после чего следует дегидратация, сушка и измельчение.
Карбонат кальция — один из первых неорганических наполнителей, используемых для улучшения и повышения прочности полипропилена. Микроскопический карбонат кальция долгое время доминировал в производстве. Исследования показывают, что добавление карбоната кальция увеличивает ударную вязкость полипропилена, но снижает прочность на разрыв. Лёгкий карбонат кальция может улучшить как ударную вязкость, так и предел текучести, причём PCC, обработанный стеариновой кислотой, демонстрирует лучшие результаты. Карбонат кальция, обработанный титанатным связующим агентом, значительно повышает ударную вязкость полипропилена.
С появлением наноразмерного карбоната кальция было обнаружено, что нано-CaCO₃ может одновременно улучшать свойства полипропилена и повышать его ударную вязкость, демонстрируя более высокий упрочняющий эффект, чем микроразмерный карбонат кальция. Исследования показывают, что морфология нано-CaCO₃ существенно влияет на механические свойства композитов. Кубический нано-CaCO₃ улучшает ударопрочность, а волокнистый нано-CaCO₃ – прочность на разрыв. Нано-CaCO₃ также измельчает сферолиты полипропилена и способствует образованию β-кристаллов.
Стеклянные микросферы
Стеклянные микросферы – это новый тип силикатного материала, включающий в себя как сплошные, так и полые разновидности. Обычно стеклянные шарики размером 0,5–5 мм называются мелкими шариками, а шарики размером менее 0,4 мм – микрошариками. Микрошарики поступают из различных источников, например, из стеклянных микросфер, полученных из летучей золы, которые представляют собой лёгкие сферические частицы, извлекаемые из летучей золы. Их основным компонентом является диоксид кремния, а также различные оксиды металлов. Стеклянные микросферы, полученные из летучей золы, обладают такими преимуществами, как высокая термостойкость и низкая теплопроводность. При использовании в качестве наполнителей в пластмассах они повышают износостойкость, сопротивление сжатию и огнестойкость. Их уникальная сферическая форма улучшает текучесть, а гладкая поверхность улучшает блеск продукта и уменьшает налипание грязи.
Стеклянные микросферы широко используются для армирования и повышения ударной вязкости полипропилена (ПП). Исследования показывают, что с увеличением содержания стеклянных микросфер модуль упругости при растяжении, предел прочности на изгиб и модуль упругости композитов ПП/стеклянные микросферы, полученных одно- и двухшнековой экструзией, линейно увеличиваются, в то время как предел текучести несколько снижается. Деформация разрушения улучшается при низком содержании, но быстро снижается при более высоком. Ударная вязкость материалов, полученных как одно-, так и двухшнековой экструзией, улучшается и увеличивается с увеличением содержания стеклянных микросфер в определенном диапазоне. Ударная вязкость материалов, полученных одношнековой экструзией, несколько выше, чем у материалов, полученных двухшнековой экструзией. Размер частиц стеклянных микросфер существенно влияет на ударную вязкость композитов ПП/стеклянные микросферы.
Силикатные минералы
К наиболее широко используемым и исследуемым силикатным минералам относятся тальк, монтмориллонит (ММТ) и волластонит, а также аттапульгит и цеолит, которым также уделяется значительное внимание.
Тальк и ММТ представляют собой слоистые силикатные минералы. Тальк – это магнийсиликатный минерал с пластинчатой структурой. Как правило, более мелкие частицы обеспечивают лучшую дисперсию, что улучшает теплостойкость материала и гладкость поверхности. ММТ имеет большее межслоевое расстояние и часто используется при изготовлении полипропиленовых композитов методом интеркаляции. ММТ способен образовывать хорошо интеркалированную структуру в полипропиленовой матрице, повышая ударопрочность и размерную стабильность.
Аттапульгит (АТФ) – это слоистый цепочечный силикат. Это природный одномерный наноматериал, силикатный минерал, основными структурными единицами которого являются игольчатые или коротковолокнистые монокристаллы. АТФ может композиционно сочетаться с полипропиленом как с микронным наполнителем, так и с наноупрочнением, что улучшает механические свойства материала. Этот новый тип короткого глинистого волокна лишен недостатков обычных смол, армированных стекловолокном, таких как низкая текучесть, шероховатость и высокий износ технологического оборудования, что делает его чрезвычайно ценным для разработки.
Волластонит — одноцепочечный силикатный минерал, обычно образующий пластинчатые, радиальные или волокнистые агрегаты. Исследования показывают, что пластики, наполненные волластонитом, не только улучшают механические свойства, но и могут заменить стекловолокно, снижая стоимость. Однако с увеличением содержания наполнителя твёрдость композита растёт, что приводит к значительному износу технологического оборудования.
Цеолит — это каркасный силикатный минерал. Его богатая пористая структура позволяет ему адсорбировать или загружать функциональные частицы, что позволяет получать высокофункциональные полипропиленовые композиты и повышать ценность продукта. Таким образом, разработка функциональных композитов ПП/цеолит обладает большим потенциалом и стала актуальной темой современных исследований.
Диоксид титана
Химический состав диоксида титана – TiO₂. В зависимости от кристаллической формы он может быть рутилом или анатазом. Рутил – наиболее стабильная кристаллическая форма с плотной структурой, обладающая большей твёрдостью, атмосферостойкостью и противомелющими свойствами, чем анатаз. Он устойчив к различным химическим веществам в атмосфере, нерастворим в воде и обладает хорошей термостойкостью. Добавление диоксида титана не только улучшает белизну изделий, но и снижает повреждение под воздействием УФ-излучения, повышая стойкость полипропилена к световому старению. Он также повышает жёсткость, твёрдость и износостойкость изделий. Однако его совместимость с кристаллическими материалами, такими как ПП и ПА, плохая, что требует модификации для обеспечения совместимости.
Эпический порошок
Epic Powder Machinery — признанный бренд в отрасли, ориентированный на клиента, предлагающий высокое качество и инновации. Мы — ваш надежный партнер, способный обеспечить долгосрочный успех. Выбирайте Epic Powder для эффективных, энергосберегающих и экологически безопасных решений по переработке порошков! Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о нашей продукции!
