Основные цели введения дисперсных наполнителей в полимеры

КОМПОЗИТЫ С ДИСПЕРСНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Основные цели введения дисперсных наполнителей в полимеры

Сочетание полимеров с наполнителями позволяет получать материалы с совершенно новыми эксплуатационными свойствами. Наполнители способны оказывать разнообразное воздействие на полимеры, обусловливающие высокую эффективность их использования.

Введение наполнителей в полимеры преследует, как правило, одну из следующих трех целей:

1) повышение механической прочности и твердости полимеров;

2) снижение себестоимости полимерных материалов;

3) придание полимерам специальных свойств (понижение горючести, повышение фрикционных или антифрикционных, электрических, теплофизических, адгезионных и других характеристик).

Повышение твердости и модуля упругости полимеров является универсальным свойством всех твердых дисперсных наполнителей. Поэтому наполнители нашли широкое применение для улучшения этих свойств как у термопластов, так и у реактопластов.

Повышение прочности при введении наполнителя наблюдается далеко не для всех полимеров, да и не любой наполнитель повышает прочность полимерного композита. Наиболее ярким примером такого воздействия являются резины, которые имеют высокую прочность благодаря их наполнению техническим углеродом (сажей). Прочность является крайне важной характеристикой любого материала, поэтому способность наполнителей повышать прочность некоторых полимеров широко используется.

Подавляющее большинство наполнителей является в несколько раз более дешевым материалом, чем полимер. Поэтому замена части объема полимерной матрицы частицами наполнителя может привести к существенному удешевлению полимерных материалов. Однако при подсчете экономической выгоды использования наполнителя следует учитывать затраты на смешение компонентов композита и изменение затрат энергии и времени на переработку полученных КМ.

Так себестоимость композиционного материала может определяться по формуле:

С = С₁∙ φ₁ + С₂∙φ₂ + З_см ,

где С₁, С₂ – стоимость полимера и наполнителя соответственно, φ₁, φ₂ – объемные доли полимера и наполнителя, З_см – затраты на смешение компонентов композита.

В дальнейшем везде при описании двухфазных композиций подстрочный индекс 1 будет использоваться для обозначения матрицы или непрерывной фазы, индекс 2 – для наполнителя или дисперсной фазы. Обозначение без подстрочного индекса относится к композиционному материалу.

Это направление использования наполнителей с каждым годом приобретает все большее значение, что связано с удорожанием нефти и газа – основного сырья для получения полимерных материалов. Однако экономическая выгода от использования наполнителя будет лишь при условии:

С₁∙φ₁ – С₂∙φ₂ > З_см,

что выполняется далеко не всегда, особенно если учесть высокую плотность наполнителей по сравнению с полимерами, и то, что при подсчете экономической выгоды важна объемная доля наполнителя, а не массовая. Следует также учитывать, что цена изделия из ПКМ может быть ниже цены этого же изделия из чистого полимера из-за изменения его эксплуатационных свойств.

Благодаря разнообразию свойств наполнителей и их различному влиянию на свойства полимеров наполнение используется также для придания полимерам всевозможных специальных свойств. Например, для придания огнестойкости в полимеры вводят специальные наполнители – антипирены. Для защиты подводных частей морских судов от обрастания раковинами в полимеры вводят соединения мышьяка, закиси меди или окиси ртути. Для предохранения изделий от поражения грибками и плесенью в полимерные материалы вводят наполнители – фунгициды (пентахлорфенол, этилмеркурфосфат или соединения меди). Для создания термочувствительных изделий применяют пигменты, способные менять цвет в зависимости от температуры (соли меди, серебра, кобальта, никеля, хрома или молибдена, переходящие при достижении определенной температуры из одной модификации в другую с изменением первоначальной окраски или с образованием новых химических соединений иного цвета). Наполнители вводят для изменения адгезионной способности полимеров, их фрикционных свойств, электрофизических характеристик, теплопроводности и многих других (полимерные светофильтры для оптико-электронных видео систем наблюдения, счета и контроля).

Влияние дисперсного наполнителя на механические и прочие свойства полимера зависит в значительной степени от свойств самого наполнителя. Поэтому для целенаправленного и научно-обоснованного создания ПКМ с заданными свойствами путем наполнения необходимо знать характеристики наполнителей.