По кривой распределения частиц по размерам определяют средний размер. От формы и размеров частиц зависят: плотность упаковки наполнителя, равномерность распределения частиц, площадь контакта со связующим, реологические, физико-механические и другие свойства.[3]

1.2.3.Влияние дисперсных наполнителей на структуру и свойства полимеров

Кристаллизующиеся полимеры имеют сложную надмолекулярную структуру, которая в значительной степени определяет физико-механические свойства этих полимеров при их эксплуатации в различных условиях.

Аморфно-кристаллический полимер можно рассматривать как дисперсно-наполненный композиционный материал, в котором роль наполнителя играют кристаллиты, а матрица образована аморфными областями, находящимися при температуре выше температуры стеклования полимера в высокоэластическом состоянии. Основными структурными параметрами, ответственными за эксплуатационные, прежде всего деформационно-прочностные и диффузионные характеристики дисперсно-наполненных кристаллизующихся полимеров, являются их плотность, дефектность и степень кристалличности. Однако коэффициент диффузии (D) низкомолекулярных соединений возрастает с увеличением степени кристалличности полимера. У ряда ненаполненных термопластов (полипропилена, полиэтилентерефталата и др.) коэффициенты массопереноса изменяются в зависимости от степени кристалличности по кривой с минимумом.

При увеличении количества введённого в полимер наполнителя (φн) среднее расстояние между частицами наполнителя сокращается из-за уменьшения объема аморфной фазы.

Наполнители различной природы по-разному распределяются в объеме полимера и влияют на его структуру. Чем больше поверхность частиц дисперсных наполнителей, тем в большей степени ограничивается подвижность макромолекулярных цепей в процессе формирования поверхностного слоя и тем ниже плотность упаковки макромолекул в нём. Эквивалентное действие частиц дисперсного наполнителя на деформационно-прочностные свойства кристаллизующегося полимера, обусловленное их накоплением только в аморфной области, достигается при значительно меньшем содержании гидрофильных наполнителей (кальцит, каолин и др.), чем гидрофобного наполнителя-графита.

Небольшие добавки структурно-активных дисперсных наполнителей, действующих как структурообразаватели, способствуют измельчению сферолитной структуры. Изменению плотности упаковки структурных элементов сферолитов и упорядочению структуры кристаллизующегося полимера. По-видимому, эти факторы могут повышать прочностные показатели кристаллизующегося полимера при малом содержании дисперсного наполнителя в нём.

С увеличением φн в полимерной матрице накапливается значительное количество частиц наполнителя, уже не являющегося структурообразователем, и аморфные области становятся более жесткими. Это обуславливает резкое снижение деформационно-прочностных характеристик полимеров с высоким содержанием дисперсных наполнителей и его хрупкое разрушение.

Полимеры, содержащие более 35% дисперсного минерального наполнителя (например, туфа или кальцита), в отличии от гомогенного (чистого) полимера разрушаются в условиях одноосного деформирования без образования «шейке» и их прочность при разрыве равна пределу текучести при растяжению. Однако при содержании того же наполнителя менее 35% характер деформирования дисперсно-наполненного полимера изменяется: наблюдается послойное разрушение образца с перемещением слоев друг относительно драга вдоль оси растяжения.

С увеличением φн возрастает доля межфазного слоя в полимерной матрице композиции и отличие фактических значений её физико-механических показателей от аддитивной величины. Кроме того, с повышением φн уменьшается толщина полимерной прослойки между частицами наполнителя, возрастает доля аморфизованного межфазного слоя и одновременно снижаются степень кристалличности и подвижность макромолекул полимера.

1.2.4.Минеральные дисперсные наполнители

К минеральным дисперсным наполнителям относят: карбонатам кальция, каолин, тальк, полевой шпат и нефелин, диоксид кремния, а также оксиды металлов, сульфаты, сульфиды, карбид кремния, силикаты, титанат бария и другие.

Карбонат кальция (КК) СаСО3. К карбонатам кальция, встречающимся в природе, относятся: мел, известняк, мрамор.

Очищенный КК представляет собой мягкий порошок белого цвета, плотностью 2700 кг/м3. К достоинствам этого наполнителя относятся: относительно низкая стоимость; большие запасы природного сырья; отсутствие запаха; близкий к большинству полимеров и их пластификаторов показатель преломления, что позволяет получать материалы практически любого цвета; низкая твердость, следовательно, невысокая абразивность КМ; простота регулирования полидисперсности, что позволяет получать оптимальную упаковку частиц в различных полимерных системах; безвредность при высокой степени чистоты, что позволяет получать на его основе КМ, разрешенные к употреблению в контакте с пищевыми продуктами; стойкость при температурах до 550°С (при температуре 800-900°С разлагается с образованием СаО и СО2); легкость распределения в большинстве полимеров; способность уменьшать усадку.

К недостаткам относятся: полярность и высокая реакционная способность, обусловливающие выделение СО2 и образование растворимых солей при воздействии на КМ кислот (вместе с тем, КМ на основе полиэфирных и эпоксидных связующих достаточно кислотостойки, если хорошо сформованных материалы); увеличение хрупкости наполненных КК термопластов, в основном полиэтилена (ПЭ) и полистирола (ПС); слабый усиливающий эффект по сравнению с другими наполнителями; более низкие жесткость, модуль упругости при изгибе и теплостойкость полимеров, по сравнению с полимерами, наполненными тальком или асбестом, но большая устойчивость к удару, так как выше адгезионная прочность на границе наполнитель - связующее; необходимость предварительной сушки, так как содержание влаги даже в очищенном КК составляет 0,06-0,2%.

Каолин, или белая глина - минерал, представляющий собой гидратированный силикат алюминия. Кроме природного, используется еще прокаленный при температуре 550°С каолин. Каолин, содержащий гидратированную воду, является неабразивным, химически стойким, легко диспергирующимся, особенно в присутствии ПАВ, наполнителем. Частицы имеют высокую площадь поверхности, что способствует резкому нарастанию вязкости композиции при наполнении.[3]

Каолин широко применяется в бумажной промышленности, в производстве резин и других КМ, в частности полиэфирных препрегов или премиксов. При этом, вследствие пластинчатой формы частиц, он выполняет роль тиксотропного загустителя [8], предотвращающего отжим связующего и уменьшающего, одновременно, шероховатость поверхности КМ.

Тальк. Минерал тальк представляет собой гидратированный силикат магния. Химическая формула ЗМgО*4SiO2*Н2О. Теоретически он содержит 31,7% МgО; 63,5% SiO2 и 4,8% Н2О.

Состав реального минерала отличается от теоретического и зависит месторождения. Имеет пластинчатую форму частиц, поэтому в ряде случаев может быть активным (усиливающим) наполнителем. Высокая степень наполнения снижает устойчивость к ударным нагрузкам. Для КМ с тальком этот нежелательный эффект можно свести к минимуму правильным выбором размера и поверхностной обработкой частиц. Чистый тальк имеет наименьшую твердость из всех известных минералов (в три раза меньше твердости СаСОз и в 10 раз меньше твердости алмаза). Природный тальк белого, серого, желтого, бледно-голубого или бледно-зеленого цвета, имеет характерный серебристый или перламутровый блеск. После измельчения тальк становится белого или серого цвета.