Полимерные композиты – это многокомпонентные материалы, основой (матрицей) которых служит изготовленный из полимеров пластик, а необходимые физические качества обеспечивают различные добавки-наполнители. Они подразделяются на дисперсные, волокнистые, тканые и нетканые.
Какими качествами должны обладать наполнители полимерных материалов
Входящие в состав полимерных композитов добавки способствуют устойчивости материала к воздействию окружающей среды, повышают теплостойкость, прочность, необходимую гибкость или жесткость, могут улучшить вязкость или текучесть.
Многие из наполнителей могут снижать плотность полимерного материала, что позволяет сократить вес изделия. Они также уменьшают степень пожароопасности пластика или изменяют его диэлектрические характеристики (в зависимости от требования к материалу в одних случаях требуется, чтобы он обладал электроизоляционными свойствами, в других – чтобы он был проводником).
Использование наполнителей может облегчить дальнейшую обработку полимеров, такую как экструзия, литье под давлением или формование, и часто способно значительно уменьшить стоимость полимерных материалов, не снижая качества конечного изделия.
Общие требования к наполнителям включают:
- хорошую устойчивость к воздействию окружающей среды;
- легкую диспергируемость (способность к тонкому измельчению);
- достаточную степень совместимости с полимером, которая при смешении компонентов позволяет получать однородную массу;
- сохранение основных свойств при хранении;
- доступную стоимость.
Виды и характеристика наполнителей
При изготовлении полимерных композитов наполнитель подбирают в зависимости от того, какими свойствами должен обладать материал. В настоящее время в качестве таких добавок используется более 200 видов органических и минеральных соединений.
Силикаты
Это неметаллические полезные ископаемые, представляющие собой группу минералов. Сюда относятся:
- асбест;
- тальк;
- слюда;
- различные виды глины – каолин, бентонит, белая глина (каолин), красная глина;
- также керамика – материалы, полученные из глин и их смесей.
Наполнители на основе глины могут использоваться для изменения текучести, оптических свойств и улучшения механических характеристик полимеров. Крупными производителями являются компании Imerys (Франция) и Sibelco (Бельгия).
Тальк и слюда обладают высокой тепло- и звукоизоляцией, а также хорошими электроизоляционными свойствами. Тальк добавляют также для улучшения термической стабильности, снижения усадки при охлаждении и повышения жесткости полимеров.
Ведущими производителями этих силикатов считаются компании Luzenac (Франция) и Mondo Minerals (Финляндия).
Стекловолокно
Такой наполнитель используют для улучшения механических свойств полимерного материала:
- жесткости;
- износостойкости;
- устойчивости к ударам.
Изделия из пластика и стекловолокна прочные, но легкие и недорогие. Компании, предлагающие стекловолокно в качестве наполнительного материала, включают Owens Corning (США), PPG Industries (США) и Jushi Group (Китай).
Металлические наполнители
Металлы относятся к армирующим добавкам. Кроме того, они повышают теплостойкость, тепло- и электропроводность изделий из пластика. Металлические наполнители, такие как алюминий и медь, обычно применяют в виде силикатных порошков.
Гидрооксид алюминия (Al(OH)₃), гидрокарбонат алюминия (C3H3AlO9) и гидроксид магния (Mg(OH)2) работают как антипирены. Они или реагируют с высвобождающимися газами, образуя инертные продукты, предотвращающие загорание, или создают барьеры, затрудняющие доступ кислорода к полимеру, что замедляет горение.
Металлические наполнители предлагают компании Alcoa Corporation (США), Rio Tinto Group (австралийско-британский концерн) и Mansfelder Kupfer und Messing (Германия).
Карбонат кальция(CaCO3)
Этот наполнитель обладает хорошими механическими свойствами – карбоновые волокна используются для повышения жесткости и прочности материала. Технический углекислый кальций выпускают компании Тoray Industries и Toho (Япония), Hexcel (Германия), Zoltek (Венгрия), Cytek (США).
Графит
Для полимеров, используемых в электронике и электротехнике, требуется электрическая кондуктивность. Такие наполнители, как графит и углеродные нанотрубки, улучшают электрическую проводимость изделий из полимеров.
Натуральный и искусственный графит сегодня предлагают компании Timcal (Швейцария) и Nanocyl (Бельгия).
Углепластик (карбон)
Этот композитный материал получают из ультрадисперсных углеродных смесей. Углепластик как наполнитель обладает высокой прочностью, жесткостью и низкой плотностью.
Список известных компаний, специализирующихся на выпуске карбона, включает Toray Industries (Япония), Hexcel (Германия) и Mitsubishi Chemical Carbon Fiber and Composites (США).
