Минералы для наполнения и усиления

Минеральные наполнители представляют собой природные или синтезированные частицы с твердой поверхностью, не содержащие металл или сажу. Такие наполнители имеют разнообразную форму — от частиц почти сферической формы до пластинчатой и игольчатой. При описании формы частиц наполнителей рекомендуется применять термин «соотношение размеров», которым описывают отношение одного размера частиц к другому. Минеральные наполнители для ПВХ исторически включают карбонат кальция (молотый и осажденный), тригидрат алюминия (ТГА), бариты, тальк, слюду, каолин, полевой шпат, нефелиновый сиенит и волластонит. Основным достижением является улучшение таких свойств, как механическая прочность, огнестойкость и вес. Для кабелей и проводов очень важны электрические свойства.

Обычно минеральные наполнители описывают вместе с их действием. В связи с тем, что минеральные наполнители могут обеспечить больше, чем просто снижение стоимости, чтобы показать их дополнительное значение, в промышленности используют термин «функциональный наполнитель». Например, выбранный наполнитель может выполнить функцию увеличения прочности при растяжении и удлинения. Одни наполнители могут улучшать твердость, другие - теплостойкость и электрическое сопротивление. Часто повышают жесткость с помощью функциональных наполнителей. Наполнители, которые используют главным образом для снижения стоимости материала, часто относят к разбавителям. Тем не менее такие наполнители, даже не улучшающие физические свойства, часто добавляют для облегчения переработки и улучшения качества продукции; так, уменьшают выделение твердых ингредиентов на металлические поверхности перерабатывающего оборудования (plate-out), прилипание к валку, регулируют глянец, улучшают светостойкость в УФ-области и экструдируемость, а также уменьшают время сухого смешения. Поэтому, в известной степени, все наполнители являются «функциональными».

Важным свойством композиций на основе ПВХ является жесткость, которую часто характеризуют модулем упругости при изгибе. Это свойство, в отличие от модуля при растяжении, очень сильно зависит от отношения размеров частиц наполнителя. Например, введение карбоната кальция, наполнителя с низким отношением сторон, обеспечивает лишь небольшое повышение жесткости ПВХ; причем различие между осажденным (ОКК) и молотым (МКК) было очень мало. Для повышения на 30% модуля упругости при изгибе типовой композиции потребуется добавление примерно 60% МКК или ОКК, что, в некоторой степени, определяется размером частиц, так как модуль композиции повышается при уменьшении среднего размера частиц. Наполнители, имеющие более высокое отношение размеров, такие как тальк, более эффективны в отношении повышения жесткости. В идеале хотят получить баланс жесткости и ударной прочности. Обычно полагают, что существует критический размер частиц наполнителей для получения оптимального баланса этих свойств в композициях на основе ПВХ, равный примерно 1 мкм.

В строительной промышленности очень важна стабильность размеров, поэтому измеряют коэффициент теплового расширения. На его величину большое влияние оказывает отношение размеров частиц наполнителя. Высокие значения повышают внутренние напряжения готового продукта и могут привести к искривлению или к растрескиванию, или короблению изделий. При обычном вводимом количестве карбонат кальция обеспечивает незначительное повышение стабильности размеров. Наполнитель с более высоким отношением размеров частиц, такой как тальк, приводит к улучшению свойств, в частности, при повышенных температурах. При наивысшем отношении размеров, например, как у стекловолокна, его введение в количестве 15% обеспечивает существенное снижение теплового расширения. Разработчик композиций должен иметь в виду такую возможность и при необходимости ею воспользоваться.

Пластифицированный ПВХ, являясь по существу аморфным, может содержать наполнители разной формы и состава. Наполнители с высоким отношением размеров частиц склонны оказывать сильное отрицательное воздействие на ударную прочность непластифицированного ПВХ, их острые кромки ведут к прорастанию трещин и к уменьшению залечивания крейзов (микротрещин). Приведенные рассуждения объясняют факт широкого распространения карбоната кальция, как наполнителя, имеющего низкое отношение размеров частиц. Смеси карбоната кальция и наполнителей с высоким отношением размеров частиц часто улучшают ударную прочность по сравнению с использованием только последних. Однако наиболее эффективным средством является использование для подавления распространения трещин полимерных модификаторов, повышающих ударную прочность. В настоящее время активно исследуют модификацию ударной прочности с помощью сочетания наполнителя и частиц модификатора ударной прочности.