Использование дисперсных наполнителей для создания композиционных материалов на основе полимерной матрицы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №15 (95) август-1 2015 г.

Дата публикации: 31.07.2015

Статья просмотрена: 734 раза

Библиографическое описание:

Ивановский С. К., Мельниченко М. А. Использование дисперсных наполнителей для создания композиционных материалов на основе полимерной матрицы // Молодой ученый. — 2015. — №15. — С. 91-93. — URL https://moluch.ru/archive/95/21367/ (дата обращения: 20.07.2018).

В настоящее время наблюдается устойчивый рост промышленного производства, что сопровождается увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов. Самым эффективным способом утилизации отходов полимерных материалов является их вторичная переработка и получение различных продуктов или композитов [2, 9, 10].

Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio- составление) — многокомпонентные материалы, состоящие из двух или более компонентов, количественное соотношение которых должно быть сопоставимым. Компоненты существенно отличаются по свойствам, а их сочетание должно давать некий синергический эффект, который трудно предусмотреть заранее [8].

Наполненные полимеры представляют собой коллоидные дисперсные системы. Свойства этих систем определяются природой наполнителя, полимерной матрицы, а также процессами взаимодействия на границе раздела полимер — наполнитель.

Широкий выбор и практически неограниченные ресурсы легкодоступных и относительно дешевых дисперсных минеральных наполнителей (тальк, мел и другие) обеспечивают им высокую конкурентоспособность в мировом промышленном производстве полимерных композитов [7].

Дисперсные наполнители — наиболее распространенный вид наполнителей полимерных композиционных материалов, в качестве которых выступают самые разнообразные вещества органической и неорганической природы. Твердые наполнители могут быть минеральными (тальк, мел и другие), органическими (волокна), керамическими и металлическими.

Хронологически первыми наполнителями полимерных композиционных материалов были дисперсные наполнители — в пресс-материалах на основе фенолформальдегидных олигомеров использовалась древесная мука. Обычно размер частиц не превышает 40 мкм, однако в последнее время при создании нанокомпозитов используются частицы размером менее 1 мкм.

Для улучшения смачивания наполнителя полимером, улучшения адгезии, снижения склонности частиц к агломерации поверхность порошкообразных наполнителей часто обрабатывают поверхностно-активными веществами. Улучшению адгезии на поверхности раздела «наполнитель-полимер» могут способствовать также реакционно-способные функциональные группы, имеющиеся в наполнителе или специально сформированные.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды минеральных наполнителей [6].

Карбонат кальция (мел, СаСО3) — один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. Основной источник — природный известняк подвергнутый измельчению, флотации для удаления примесей и фракционированию с получением частиц размерами 1–10 мкм. Получается также путем осаждения в процессах получения карбоната и гидроксида натрия (размер частиц от 0,03 мкм — до 10 мкм с малым разбросом по размерам). К преимуществам этого наполнителя относится белый цвет, низкая твердость, широкий интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в широком интервале температур. Для улучшения реологических свойств и смачивания поверхность мела часто обрабатывают стеариновой кислотой, стеаратом кальция или аппретами. Что способствует также лучшему распределению частиц мела в матрице полимера. В качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе ПВХ (в жести и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препреги).

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. Для повышения способности к диспергированию и достижения максимального упрочняющего эффекта поверхность частиц обрабатывают модифицирующими агентами (например, ПАВ). Каолин применяется при наполнении термопластов для придания повышенных значений модуля упругости при растяжении, а также для улучшения электрических свойств; в производстве армированных волокнами пластиков на полиэфирных связующих для повышения вязкости (размер частиц менее 40 мкм), а также для повышения объемного электрического сопротивления и водостойкости (прокаленный каолин, связующее — фенолформальдегидный олигомер).

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). Благодаря пластинчатой форме частиц тальк придает наполненным материалам повышенную жесткость — при одинаковой степени наполнения (40 %) тальк увеличивает жесткость полипропилена в 3 раза, а мел — в 2 раза. Применение талька при правильном подборе дисперсного состава, поверхностной обработки позволяет избежать характерной для наполнения дисперсными частицами снижения стойкости к ударным нагрузкам. Низкая твердость (1 по шкале Мооса) снижает абразивный износ при переработке тальконаполненых термопластов. Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.

На кафедре химии были получены композиционные материалы с выше названными наполнителями и в настоящее время проводятся исследования их эксплуатационных свойств [3, 5, 11].

Плавленый кварц — аморфный стеклообразный диоксид кремния, получаемый путем измельчения расплавленного в дуговых печах кварцевого песка. Как правило, имеет довольно широкий гранулометрический состав. Характеризуется 6олее низкой плотностью и малым термическим коэффициентом линейного расширения.

Используется при получении материалов, стойких к тепловым ударам, обладающих повышенной стабильностью размеров и высокими прочностными показателями.

Полевой шпат и нефелин — близкие по составу безводные алюмосиликаты, получаемые из минерального сырья. Производятся в виде порошков крупной или средней дисперсности (средний размер частиц 5–15 мкм). Благодаря относительно низкой удельной поверхности (1,0–2,5 м2/г), хорошей смачиваемости и диспергируемости в большинстве полимеров они обеспечивают низкую вязкость наполненных композиций даже при высоких степенях наполнения. Близкие значения их показателя преломления к его значению у большинства полимеров (1.53) позволяет получать прозрачные или полупрозрачные изделия.

К числу наиболее распространенных порошкообразных наполнителей органического происхождения относится древесная мука и углеродные материалы (сажа, графит, кокс) [4].

Древесная мука. Порошкообразная древесина получается путем измельчения на мельницах отходов обработки древесины (опилок, стружки, щепа и т. д.). Древесина состоит из целлюлозы, лигнина и некоторого количества природных смол (в зависимости от породы дерева). В качестве наполнителя пластмасс используется мука с размером частиц от 40–50 до 300 мкм. Мука из древесины лиственных пород имеет более низкие тепло-, влаго- и химостойкость. Наиболее широко применяется в производстве фенольных и мочевино-формальдегидных пресс-материалов общего назначения. За рубежом находит также применение мука из скорлупы орехов — миндаля, грецкого, лесного, кокосового, арахисового и др. Эта мука позволяет получать материалы с более высокими твердостью, влагостойкостью и электроизоляционными свойствами.

В зависимости от технологии производства и наполнения полимеры могут характеризоваться различными свойствами, влияющими в итоге на эффективность наполненных материалов и их качество. Поэтому к наполнителю предъявляются требования исходя из того, какие свойства материала желательно получить в разрабатываемом изделии.

Требования к свойствам композиционных материалов предъявляют в зависимости от назначения изделия. В одних случаях требуются высокие физико-механические характеристики, в других — повышенные теплоизоляционные свойства [8].

К числу общих требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям относятся [1, 8]: способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем с образованием однородной композиции; хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера (наполнитель должен иметь шероховатую поверхность, что обеспечит лучшее сцепление наполнителя с полимером); отсутствие склонности к агломерации частиц; однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка); стабильность свойств при хранении, переработке и эксплуатации материалов; наполнители не должны растворяться в пластификаторах, разлагаться при температуре переработки полимера и выделять летучие продукты; отсутствие веществ, катализирующих разложение полимера; отсутствие склонности к изменению окраски в процессе переработки; низкая стоимость; химическая и термическая стойкость; нетоксичность.

Таким образом, применяя в качестве наполнителей различные вещества, появляется возможность создания новых композиционных материалов с различными эксплуатационными свойствами, что позволит расширить области применения этих материалов и решать проблему утилизации полимерных отходов.

 

Литература:

 

1.        Басов, Н.И., Любартович, С.А., Любартович, В. А. Контроль качества полимерных материалов [Текст]/ Под ред. В.А Брагинского.– Л.: Химия, 1990. — 112 с.

2.        Ершова О. В., Чупрова Л. В. Получение композиционного материала на основе вторичного поливинилхлорида и техногенных минеральных отходов// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 5–1. — С. 9–12.

3.        Ершова О. В., Муллина Э. Р., Чупрова Л. В., Мишурина О. А., Бодьян Л. А. Изучение влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства полимерного композиционного материала // Фундаментальные исследования. 2014. № 12–3. С. 487–491.

4.        Ершова О. В., Ивановский С. К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. Минеральные техногенные отходы как наполнитель композиционных материалов на основе полимерной матрицы//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 6–2. — С. 196–199.

5.        Ивановский С. К., Гукова В. А., Ершова О. В. Исследование свойств вспененных композитов на основе вторичных полиолефинов и золы уноса // В сборнике: Тенденции формирования науки нового времени Сборник статей Международной научно-практической конференции: В 4 частях. отв. редактор А. А. Сукиасян. г. Уфа, республика Башкортостан, 2014. С. 18–24.

6.        Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / Под ред. А.А Берлина. — СПб.: Профессия, 2008.- 560 с.

7.        Осипов, П. О. Проблемы утилизации и переработки полимеров [Электронный ресурс]: Pakkermash, 2008. — Режим доступа: http://www.pakkermash.ru/

8.        Пахаренко, В.А., Зверлин, В.Г., Кириенко, Е. М. Наполненные термопласты [Текст]: Справочник / под ред. Липатова Ю. С. — К.: Техника, 1986–182 с.

9.        Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. — 2013. — № 5. — С. 123–125.

10.    Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В., Ершова О. В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 4. — С. 212; URL: www.science-education.ru/118–14200 (дата обращения: 14.04.2015).

11.    Gukova V. A., Ershova O. V.  The development of composite materials based on recycled polypropylene and industrial mineral wastes and study their operational properties// В сборнике: European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences Vienna, 2014. С. 144–151.

Основные термины (генерируются автоматически): размер частиц, наполнитель, материал, древесная мука, большинство полимеров, свойство, улучшение адгезии, белый цвет, измельчение, тальк.


Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

Ключевые слова:полимеры, полимерные отходы, композиционные материалы, полимерная матрица, наполнители.

В качестве наполнителей были использованы мел, тальк, древесная мука и техногенные отходы [10–14].

Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур...

Тема исследований ДПК весьма актуальна, поскольку данный материал, основанный на смешении термопластичных полимеров и частиц древесного происхождения

Конечные свойства ДПК зависят как от свойств наполнителя (морфологии, химии

Древесная мука.

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных...

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов на основе вторичных

Основные термины (генерируются автоматически): поглощение воды, материал, сосновая мука, полимер, композиция, древесный наполнитель...

Исследование влияния гранулометрических характеристик...

Определить оптимальные методы измельчения и фракционирования функциональных наполнителей с выделением

Основные термины (генерируются автоматически): размер частиц, материал, свойство, крупная фракция, мелкая фракция, вибрационное сито...

Наполнители, используемые в производстве упаковки на основе...

У каолина, талька, мела и других наполнителей размер частиц значительно превышает указанный.

Минеральные наполнители улучшают печатные свойства бумаги.

Адгезивные материалы, используемые в производстве картона и гофрокартона.

Применение композиционных полимерных материалов на...

Вяжущее с водой образует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зёрен

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов.

Исследование свойств эпоксидных композиций на основе...

Введение наполнителя –один из способов улучшить имеющиеся свойства полимера или

Для облегчения процесса измельчения и осуществления возможности создания композитов с

Формирование углеродных структур с большей плотностью и меньшими размерами частиц с...

Новые эпоксидные композиции с диэлектрическими...

Электропроводящие свойства в полимере проявляются при образовании в нем частичками наполнителя цепочечных структур.

Вследствие разности структур частиц наполнителей электропроводимость материалов

Выявлено, что уменьшение размеров частиц до 100-200...

Эпоксидные компаунды, наполненные дисперсным минеральным...

Поэтому большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов

Подготовка базальта заключалась в его измельчении и фракционировании. Исследуемый наполнитель обладает значительным разбросом частиц по размерам, что...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

Ключевые слова:полимеры, полимерные отходы, композиционные материалы, полимерная матрица, наполнители.

В качестве наполнителей были использованы мел, тальк, древесная мука и техногенные отходы [10–14].

Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур...

Тема исследований ДПК весьма актуальна, поскольку данный материал, основанный на смешении термопластичных полимеров и частиц древесного происхождения

Конечные свойства ДПК зависят как от свойств наполнителя (морфологии, химии

Древесная мука.

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных...

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов на основе вторичных

Основные термины (генерируются автоматически): поглощение воды, материал, сосновая мука, полимер, композиция, древесный наполнитель...

Исследование влияния гранулометрических характеристик...

Определить оптимальные методы измельчения и фракционирования функциональных наполнителей с выделением

Основные термины (генерируются автоматически): размер частиц, материал, свойство, крупная фракция, мелкая фракция, вибрационное сито...

Наполнители, используемые в производстве упаковки на основе...

У каолина, талька, мела и других наполнителей размер частиц значительно превышает указанный.

Минеральные наполнители улучшают печатные свойства бумаги.

Адгезивные материалы, используемые в производстве картона и гофрокартона.

Применение композиционных полимерных материалов на...

Вяжущее с водой образует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зёрен

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов.

Исследование свойств эпоксидных композиций на основе...

Введение наполнителя –один из способов улучшить имеющиеся свойства полимера или

Для облегчения процесса измельчения и осуществления возможности создания композитов с

Формирование углеродных структур с большей плотностью и меньшими размерами частиц с...

Новые эпоксидные композиции с диэлектрическими...

Электропроводящие свойства в полимере проявляются при образовании в нем частичками наполнителя цепочечных структур.

Вследствие разности структур частиц наполнителей электропроводимость материалов

Выявлено, что уменьшение размеров частиц до 100-200...

Эпоксидные компаунды, наполненные дисперсным минеральным...

Поэтому большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов

Подготовка базальта заключалась в его измельчении и фракционировании. Исследуемый наполнитель обладает значительным разбросом частиц по размерам, что...

Задать вопрос