Наполнители
Наполнители
В мире выпускается огромное количество всевозможных волокон для наполнения полимеров. Все используемые для наполнения полимеров волокна можно поделить на короткие и непрерывные. Непрерывные волокна бывают безуглеродные, углеродные и органические. Короткие волокна делятся на природные и искусственные. Рассмотрим непрерывные волокна. Сюда относятся стеклянные, керамические ( из оксидов металлов), базальтовые, борные, металлические и другие волокна.Стеклянные волокна
В мире выпускается большое количество стеклянных волокон из различных марок стекла. В зависимости от марки стекла механические свойства волокон существенно различаются. Стеклянные волокна получают путем продавливания расплава стекла через фильеры с последующим вытягиванием вытекшего расплава в нити и одновременным их охлаждением. Эти волокна выпускаются в виде непрерывных нитей, крученных и некрученых жгутов (ровница), тканей, нетканых листовых материалов, рубленных волокон, измельченных волокон, матов из перепутанных непрерывных волокон.Базальтовые волокна
Базальтовые волокна получают из базальтовых пород по технологии, аналогичной получению стеклянных волокон. Базальтовые волокна по механическим свойствам незначительно уступают стеклянным, но заметно дешевле их.Борные волокна
Борные волокна получают методом химического выделения бора и его осаждения из газовой фазы на непрерывно движущуюся нагретую вольфрамовую нить. Такой сложный метод получения волокон обуславливает их высокую цену. Но их уникальные свойства оправдывают такие расходы при использовании в авиакосмической и ракетной технике.Керамические волокна
Керамические волокна получают из оксидов металлов алюминия, циркония, бериллия. Эти волокна не отличаются очень высокой удельной прочностью, их главное достоинство – высокая термостойкость (1400 – 1650 ° С). Кроме того, они имеют очень высокую химическую стойкость и стойкость к окислению. Поэтому ими усиливают пластмассы для изготовления химической аппаратуры, тормозных и фрикционных изделий, узлов двигателей.Углеродные волокна
Углеродные волокна также являются весьма дорогими. Их получают медленной карбонизацией углеводородных волокон в инертной атмосфере. Чаще всего для этого используют волокна из полиакрилонитрила. Благодаря низкой плотности углеродные волокна по удельной прочности и удельному модулю упругости превосходят большинство других волокон. Это свойство является очень важным для различных летательных аппаратов, что определило их широкое использование в авиакосмической и ракетной технике.Волокна из органических полимеров
Для упрочнения полимеров широко используют волокна из органических полимеров. Наибольшее распространение получили волокна из ароматических полиамидов (арамидные волокна). Эти волокна получают вытягиванием расплава полимера, вытекающего из фильер. За счет большой молекулярной массы полимера и высокой степени вытяжки удается получать высокомодульные и высокопрочные органические волокна. Благодаря низкой плотности эти волокна во многих областях вытесняют сейчас стеклянные волокна.Природные короткие волокна
Из природных коротких волокон нашли применение волластонитовые и асбестовые волокна. Волластонит – игольчатый силикат кальция. Его добывают шахтным способом, а затем измельчают и просеивают. Характеристическое отношение L/D невысоко и равно 15. Из асбестов используют хризолитовый асбест, который представляет собой сильно гидратированный силикат магния. Асбест добывают обычным способом, распушают на мельницах и затем отделяют от пустой породы. Хризолитовый асбест имеет следующие свойства: прочность при растяжении - 2.1 ГПа, модуль Юнга - 160 ГПа, плотность 2500кг/м3, диаметр фибрилл 16-30 нм. Различные марки асбеста отличаются длинной волокна. Асбест в виде волокнистого порошка широко используется для наполнения различных реактопластов и термопластов.Синтетические коротковолокнистые наполнители
Синтетические коротковолокнистые наполнители получают путем выращивания нитевидных монокристаллов из различных соединений (оксидов, карбидов, нитридов и др.) Диаметр кристаллов различен и колеблется от сотен нанометров до 30 мкм. Их характеристическое отношение составляет 500 — 5000. Такие наполнители получили название «Усы». Эти монокристаллы из-за совершенства строения обладают очень высокими механическими свойствами: нитевидные монокристаллы карбида кремния имеют прочность при растяжении 30ГПа, модуль Юнга 690 ГПа. Благодаря таким свойствам нитевидные монокристаллы являются очень перспективными наполнителями термопластичных и термореактивных полимеров. Методы получения изделий из ПКМ с волокнистыми наполнителями очень разнообразны и зависят от вида связующего, так и от вида наполнителя. Принципиально отличаются эти методы для полимеров, содержащих короткие и непрерывные волокна. Свойства волокон| Тип волокна | Прочность при растяжении, ГПа | Е, ГПа | Плотность кг/м3 | Диаметр,мкм |
| Стеклянные | 2-5 | 50-100 | 2100-2900 | 1-20 |
| Базальтовые | 1.5-3 | 60-90 | 2500 | 5-20 |
| Борные | 3.5 | 400 | 2600 | 100-200 |
| Углеродные | 2-4 | 300-500 | 1600-1900 | 5-10 |
| Из Al2 O3 | 1.5 | 980 | 3950 | 15-25 |
| Арамидные | 2.8 | 130 | 1450 | 10 |
Дисперсные наполнители
Когда мы говорим о дисперсном наполнителе или порошкообразном состоянии вещества, то мы знаем, что речь идет о большом количестве мелких частиц. Точный размер частиц начиная с которого его называют порошком, не определен. Обычно под высокодисперсными частицами понимают частицы размером не более 100 мкм. Форма частиц порошка может быть самой разнообразной. В связи с таким разнообразием форм чатиц очень трудно определить размерны частиц. Поэтому введена стандартная характеристика размера частиц- диаметр эквивалентной сферы (ДЭС) , т.е. диаметр такой сферы, объем которой равен объему частицы. Форма частиц большенства наполнителей различается чрезвычайно сильно. Наполнители могут иметь сферические( стеклосферы), кубические (кальцит), призматические ( полевой шпат, оксид бария), пластинчатые, игольчатые( силикат кальция, древесная мука) частицы. Кроме этого, многие наполнители имеют настолько сложную форму частиц, что ее не возможно описать любой простой классификацией.Классификация дисперсных наполнителей
Единой и четкой классификации порошкообразных наполнителей не существует. Наиболее часто применяются разделения наполнителей По происхождению-
Природные или минеральные
Искусственные
- Оксид( оксид алюминия Al2 O3 или корунд, глинозем, гидроксид алюминия Al(OH)3 )
- Соли ( карбонат кальция, известняк, мел, мрамор, арагонит, гипс)
- Силикаты( волластонит, каолин)
- Отдельные элементы ( различные металлы, графит)
- Органические наполнители (каменный уголь, древесная мука, лигнин)
Литература: Новые материалы/ В. Н. Анциферов, Ф.Ф. Бездудный, Л. Н. Белянников и др.; под редакцией Ю.С. Карабасова. - Москва МИСИС, 2002.
