Что это такое

Отрасль пластмасс, как и многие другие отрасли постоянно развивается и требует новых материалов на полимерной основе. Причем одним из главных показателей и требованием, предъявляемым к современным пластикам, является высокая экономическая эффективность, то есть как можно более низкая себестоимость при удовлетворительных характеристиках. Материал должен иметь в той или иной комбинации хорошие тепловые и прочностные характеристики, перерабатываемость, специальные свойства, предъявляемые в конкретных случаях, например электропроводностью, и при этом быть относительно дешев.

Вопрос удешевления полимера, а также придания ему некоторых свойств, решают в современной промышленности наполнители. Это простые и сложные вещества различной химической природы и физической формы, которые можно в достаточно большом количестве (несколько процентов и более) добавлять в пластмассу. На сегодняшний день применяются сотни видов наполнителей для пластиков.

Применение этих материалов для снижения себестоимости продукции не приводит к получению новых важных свойств у полимерной системы. Напротив, обычно физико-механические характеристики пластмассы при этом снижаются. Однако, некоторые важные свойства, особенно прочностные характеристики, можно улучшить введением специальных наполнителей. Яркий пример – наполнение пластмасс стекловолокном. Полученные композиционные материалы гораздо прочнее исходного полимера. Однако, при этом материал, как правило, удорожает и его способность к переработке несколько снижается.

Виды наполнителей

Существует несколько типов классификации наполнителей для пластмасс. По области назначения их разделяют на:

— армирующие, например упомянутое ранее стеклянное волокно. Эти агенты улучшают физико-механические характеристики пластика;

— технологические, например ДОТФ и другие пластификаторы. Такие вещества влияют на свойства материала в процессе переработки и эксплуатации, придают специальные свойства, например электропроводность, меняют коэффициент трения и т.д.

— прочие, в том числе инертные наполнители для удешевления материала.

По физической форме и структуре наполнители классифицируются на:

— волокнистые, например то же стекловолокно, углеволокно, хлопчатобумажное волокно;

— порошковые или дисперсные с разным размером частиц, например мел, тальк, древесная мука и т.п.;

— другие, более редких форм, например ткань, бумага и т.п.

Одна из главных характеристик наполнителя – это морфология и удельная поверхность частиц. От этого зависит степень и сила взаимодействия частиц с полимером. Для улучшения взаимодействия высокомолекулярные соединения и добавки к ним обрабатывают ПАВ и другими агентами.

Рассмотрим основные виды наполнителей подробнее.

Волокнистые наполнители

Базой для такого вида наполнителей являются длинные или короткие элементарные волокна, как гибкие, так и хрупкие. Как правило, волокнистые композиты получают для придание высокомолекулярному соединению особых прочностных свойств. Для этого используют высокопрочные волокна из стекла, углерода (в числе углеродные нановолокна или нанотрубки), бора, полимерные волокна, реже металла, карбидов, нитридов, оксидов и других неорганических соединений. Также применяются органические волокна растительного происхождения, например упомянутое ранее хлопковое волокно.

В составе наполнителей используются рубленые коротко- и длинноволокнистые и непрерывные волокна. Ввиду этого волокнистый композит может обладать свойствами похожими на материал с применением дисперсного вида, так и сильно отличаться от последних и иметь резко выраженные армированные или усиленные. При применении рубленых волокон полученные материалы обычно без труда перерабатываются стандартными методами переработки пластмасс, например экструзией и литьем под давлением. При использовании длинноволокнистого наполнителя такие методы не всегда доступны. Применение некоторых видов волокон может повысить механические свойства готового композита в десятки и сотни по сравнению с исходным полимером.

Самым популярным волокнистым наполнителем в области переработки пластмасс является стекловолокно. В промышленности выпускается много различных марок стеклянных волокон, которые различаются по геометрии, химсоставу и прочностным характеристикам, однако в большинстве своем они достаточно доступны по стоимости. Стекловолокно используется почти со всеми крупнотоннажными термопластичными пластиками, например полиамидом, полиэтиленом, полипропиленом, поликарбонатом, поливинилхлоридом и т.д. При этом стекловолокно также активно применяется для усиления термореактивных полимеров, например материалов на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол, ненасыщенных полиэфиров и т.д.

Термопласты обычно наполняют до 40% стекловолокна, реже до 70%. Реактопласты наполняют стекловолокном в количестве до 80%. Стекловолокно имеет и недоставки – это его высокая хрупкость и снижающие адгезию к полимерной матрице аппретирующие покрытия, применяющиеся при производстве волокна.

Дисперсные наполнители

Такой вид добавки представляют из себя порошки различного происхождения и размера частиц. Они могут быть как неорганические, например мел, тальк, порошкообразное стекло, так и органические, например древесная мука, крахмал. Также дисперсные наполнители различают по размеру и форме частиц, они могут быть чешуйчатые, сферообразные, пластинчатые и др.

Количество типов и разнообразие дисперсных наполнителей гораздо шире, чем волокнистых. Для наполнения полимеров можно использовать большинство поддающихся измельчению твердых вещества неорганического и органического происхождения, например в последние годы широкое распространение получили композиты с отходами сельского хозяйства и пищевой промышленности, например с шелухой злаков и бобовых, косточками плодов и т.п.

Однако, как и много лет назад, основными дисперсными вариантами в промышленности пластмасс являются мел, сажа и тальк. Эти материалы применяются главным образом в экструзии пленок, труб, листов и профилей, а также в литье под давлением технических изделий.

Мел широко используется для композитов на основе ПЭ, ПП и ПВХ. Его главный недостаток – гидрофильность. Наполнение сажей увеличивает срок службы некоторых изделий из ПЭ, ПВХ, реактопластов, повышает их светостойкость. В прошлом в качестве наполнителя-антипирена для пластмасс активно использовался асбест, но в последние годы он практически выведен из обращения. Для повышения сопротивляемости горению также используют сульфаты кальция или бария.

Очень большую популярность в 21 веке завоевал древесно-полимерный композит, в состав которого входит наиболее важный органический наполнитель для пластмасс – древесная мука. Она представляет тонкоизмельченную и хорошо высушенную древесину различных пород с размером частиц порядка 100 мкм и насыпной плотностью около 150 кг/м3. Древесно-полимерный композит применяется для выпуска многочисленных изделий для уличного использования и перерабатывается главным образом экструзией. Существуют и технологии переработки ДПК литьем под давлением и другими методами. Достоинства пластиков, наполненным древесной мукой – низкая цена, отличный внешний вид, недостатки – высокое влагопоглощение, и невысокая стойкость к нагреву и химическим веществам. ДПК производят главным образом из полипропилена и ПВХ.

Другие виды наполнителей

Прочие виды рассматриваемых добавок для полимеров применяются реже. Тканые наполнители состоят в основном из стеклянных, хлопчатобумажных и углеродных тканей. Они применяются для изготовления высокопрочных пластиков с анизотропными свойствами. Тканые наполнители чаще всего сочетают с термореактивными полимерами. Связующим для таких пластиков могут быть эпоксидные олигомеры, ненасыщенные полиэфиры, но может быть и полиамид. Количество наполнителя в таком композите достигает 40-85%.

Также применяются нетканые наполнители, которые нельзя отнести к волокнистым или дисперсным. К ним относятся различные сетки, картон, бумага, войлочные маты, и пр. Как правило эти материалы пропитывают растворами связующего (чаще всего реактопластов). Затем полученный композит сушат для испарения растворителя и перерабатывают в готовую продукцию методом холодного прессования. Таким образом производят слоистые пластики. Метод был популярен в 20-м веке, однако в последние годы уступает более производительным технологиям переработки пластмасс, таким как экструзия.