6.5 Наполненные полимеры
Наряду с полимерами, выполняющими роль связующего, содержат другие компоненты: наполнитель, пластификатор, стабилизатор, краситель и др. Наполнители могут быть газообразными, жидкими, твердыми, порошкообразными или волокнистыми.
Газообразные наполнители используют для получения пенопластов, пористых ионообменных смол, резиновых губок.
Жидкие наполнители применяют при получение твёрдых металлов из жидких эмульсий.
Наиболее часто применяют твердые наполнители. Они обеспечивают:
1)Повышение прочности, температур плавления, электропроводимости;
2)Снижает степень набухания, расход полимеров и себестоимость наполненных материалов.
Особо ценными свойствами обладают материалы с волокнистыми наполнителями, они называются армированными или композиционными материалами, (текстолиты, стеклопластики, углепластики, металлопластики).
Наполнители – высокопрочные волокна (синтетические, стеклянные, асбестовые, углеродные, металлические), ткани и маты на их основе. В армированных пластиках удаётся сочетать высокую прочность волокнистых металлов с упругостью, свойственной полимерам. Особыми свойствами обладают стекловолокнистые анизотропные материалы СВАМ, в которых волокна ориентированны в направлении деформирующего усилия и располагаются параллельно друг другу, скреплены они между собой полимерным связующим, который передаёт усилие от одной нити к другой и обеспечивает одновременную работу всех волокон.
По эффективности воздействия на свойства полимера наполнителя условно подразделяют на активные (упрочняющие усиливающие) и неактивные например, для резин является техуглерод, инертными – мел, коалин, белая сажа SiO2. Наполнитель тем активнее, чем больше энергия адгезии между полимером и наполнителем по сравнению с энергией когезии между макромолекулами. Наиболее эффективно применение наполнителей для усиления полимеров с гибкими цепями, то есть низким уровнем межмолекулярного взаимодействия. Так, резины обязательно усиливают (упрочняют) добавлением активного наполнителя технического углерода. На поверхности техуглерода имеется большое число активных центров: ребра и углы кристаллитов, свободные электроны, карбоксильные и лактонные группы эти активные центры взаимодействуют с макромолекулами каучука и образуют различные нити связей физические, водородные, химические.
В результате этого взаимно ограничивается подвижность макромолекул каучука и образуется упорядоченные надмолекулярные структуры. Наибольший эффект упрочнения достигается в том случае, когда образуется мономолекулярная пленка, так как ориентирующее действие поверхности наполнителя быстро убывает с расстоянием и практически не распространяется дальше первого слоя макромолекул. Если будет достаточно количество наполнителя, то между его частицами его находиться предельно ориентированная бимолекулярная пленка полимера.
Кроме того, согласно статической теории распределения микротрещин прочность полимера должна возрастать с уменьшением его толщины. Это особенно заметно у слоистых пластиков, у которых наполнитель, большой поверхностью, диспергирует полимер в достаточно упорядоченную систему тонких параллельно: ориентированных пленок с очень высокой прочностью.
В наполненной системе образовавшиеся связи полимер – при деформации разрушаются и вновь восстанавливаются в новом положении, результате чего происходит выравнивание перенапряжений, то есть усиление полимера. Кроме того, развивающаяся микротрещина, уперлась в частицу наполнителя, прекращает свой рост и может возобновить его только при напряжении.
Таким образом, увеличение механической прочности полимерной композиции при введении наполнителя обусловлено силами адгезии и упрочнением самого полимера за счет уменьшения его толщины и ориентации макромолекул.
В соответствии с представлением о том, что идеально наполненный полимер является системой тонких отсортированных пленок ВМС, фиксированных между частицами наполнителя и удерживаемых силами адгезии прочность полимерной композиции должно повышаться с возрастанием числа и уменьшения размеров частиц наполнителя. Однако это верно до определения предела. По мере увеличения дисперсности и количества наполнителя становится невозможным равномерным распределение сравнительно небольшого объема полимеры по огромной поверхности наполнителя и прочности начинает падать.
Кроме повышения прочности, наполнители могут изменить и другие свойства полимеров.
Наполнители повышают термостойкость и снижают горючесть. Так применение асбестового наполнителя позволяет получить материалы выдерживающие кратковременный нагрев до 10000°С.
Металлонаполненные полимеры, где наполнителями служат порошкообразные металлы отличаются высокой прочностью, термо- и теплостойкостью, электропроводимостью.
Некоторые металлонаполненные полимеры, вследствие своей дешевизны и доступности заменяют цветные и драгоценнные металлы в производстве вкладышей подшипников, в радиотехнике, при изготовлении магнитных лент (наполнители – Pt, Pd, Ra, Ir), для защиты от радиации (наполнитель - свинец);
Полимеры, наполненные порошкообразными ферритами (например, никель - цинковыми) обладают магнитными свойствами. Из них изготавливают различные изделия, намагничивают их и используют для уплотнения дверей бытовых холодильников. Другая область применения таких материалов телевидение, магнитноуправляемые контакты искусственного сердца, карты памяти в ПК.
Твердые наполнители вводимые в состав лаков и красок, шпатлевок, грунтовок повышают прочность пленок, снижают усадку и внутреннее напряжение возникающее в процессе высыхания покрытий.