В настоящее время наблюдается устойчивый рост промышленного производства, что сопровождается увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов. Самым эффективным способом утилизации отходов полимерных материалов является их вторичная переработка и получение различных продуктов или композитов [2, 9, 10].
Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio- составление) — многокомпонентные материалы, состоящие из двух или более компонентов, количественное соотношение которых должно быть сопоставимым. Компоненты существенно отличаются по свойствам, а их сочетание должно давать некий синергический эффект, который трудно предусмотреть заранее [8].
Наполненные полимеры представляют собой коллоидные дисперсные системы. Свойства этих систем определяются природой наполнителя, полимерной матрицы, а также процессами взаимодействия на границе раздела полимер — наполнитель.
Широкий выбор и практически неограниченные ресурсы легкодоступных и относительно дешевых дисперсных минеральных наполнителей (тальк, мел и другие) обеспечивают им высокую конкурентоспособность в мировом промышленном производстве полимерных композитов [7].
Дисперсные наполнители — наиболее распространенный вид наполнителей полимерных композиционных материалов, в качестве которых выступают самые разнообразные вещества органической и неорганической природы. Твердые наполнители могут быть минеральными (тальк, мел и другие), органическими (волокна), керамическими и металлическими.
Хронологически первыми наполнителями полимерных композиционных материалов были дисперсные наполнители — в пресс-материалах на основе фенолформальдегидных олигомеров использовалась древесная мука. Обычно размер частиц не превышает 40 мкм, однако в последнее время при создании нанокомпозитов используются частицы размером менее 1 мкм.
Для улучшения смачивания наполнителя полимером, улучшения адгезии, снижения склонности частиц к агломерации поверхность порошкообразных наполнителей часто обрабатывают поверхностно-активными веществами. Улучшению адгезии на поверхности раздела «наполнитель-полимер» могут способствовать также реакционно-способные функциональные группы, имеющиеся в наполнителе или специально сформированные.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды минеральных наполнителей [6].
Карбонат кальция (мел, СаСО3) — один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. Основной источник — природный известняк подвергнутый измельчению, флотации для удаления примесей и фракционированию с получением частиц размерами 1–10 мкм. Получается также путем осаждения в процессах получения карбоната и гидроксида натрия (размер частиц от 0,03 мкм — до 10 мкм с малым разбросом по размерам). К преимуществам этого наполнителя относится белый цвет, низкая твердость, широкий интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в широком интервале температур. Для улучшения реологических свойств и смачивания поверхность мела часто обрабатывают стеариновой кислотой, стеаратом кальция или аппретами. Что способствует также лучшему распределению частиц мела в матрице полимера. В качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе ПВХ (в жести и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препреги).
Каолин (белая глина — гидратированный силикат алюминия) получается из минерала каолинита путем его измельчения. Используется двух видов — очищенный и прокаленный, у которого удалена гидратационная вода. Частицы каолина имеют структуру пластинчатых чешуек, отличаются высокой степенью белизны они плохо диспергируются в большинстве полимеров. Из-за большой величины площади поверхности введение каолина способствует значительному повышению вязкости. Для повышения способности к диспергированию и достижения максимального упрочняющего эффекта поверхность частиц обрабатывают модифицирующими агентами (например, ПАВ). Каолин применяется при наполнении термопластов для придания повышенных значений модуля упругости при растяжении, а также для улучшения электрических свойств; в производстве армированных волокнами пластиков на полиэфирных связующих для повышения вязкости (размер частиц менее 40 мкм), а также для повышения объемного электрического сопротивления и водостойкости (прокаленный каолин, связующее — фенолформальдегидный олигомер).
Тальк (гидратированный силикат магния) получается из ряда природных пород путем обогащения, дробления, измельчения (тонкого помола) и фракционирования. Представляет собой тонкоизмельченный порошок белого цвета с пластинчатыми частицами различного размера (от 10 мкм до 70 мкм). Благодаря пластинчатой форме частиц тальк придает наполненным материалам повышенную жесткость — при одинаковой степени наполнения (40 %) тальк увеличивает жесткость полипропилена в 3 раза, а мел — в 2 раза. Применение талька при правильном подборе дисперсного состава, поверхностной обработки позволяет избежать характерной для наполнения дисперсными частицами снижения стойкости к ударным нагрузкам. Низкая твердость (1 по шкале Мооса) снижает абразивный износ при переработке тальконаполненых термопластов. Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.
На кафедре химии были получены композиционные материалы с выше названными наполнителями и в настоящее время проводятся исследования их эксплуатационных свойств [3, 5, 11].
Плавленый кварц — аморфный стеклообразный диоксид кремния, получаемый путем измельчения расплавленного в дуговых печах кварцевого песка. Как правило, имеет довольно широкий гранулометрический состав. Характеризуется 6олее низкой плотностью и малым термическим коэффициентом линейного расширения.
Используется при получении материалов, стойких к тепловым ударам, обладающих повышенной стабильностью размеров и высокими прочностными показателями.
Полевой шпат и нефелин — близкие по составу безводные алюмосиликаты, получаемые из минерального сырья. Производятся в виде порошков крупной или средней дисперсности (средний размер частиц 5–15 мкм). Благодаря относительно низкой удельной поверхности (1,0–2,5 м2/г), хорошей смачиваемости и диспергируемости в большинстве полимеров они обеспечивают низкую вязкость наполненных композиций даже при высоких степенях наполнения. Близкие значения их показателя преломления к его значению у большинства полимеров (1.53) позволяет получать прозрачные или полупрозрачные изделия.
К числу наиболее распространенных порошкообразных наполнителей органического происхождения относится древесная мука и углеродные материалы (сажа, графит, кокс) [4].
Древесная мука. Порошкообразная древесина получается путем измельчения на мельницах отходов обработки древесины (опилок, стружки, щепа и т. д.). Древесина состоит из целлюлозы, лигнина и некоторого количества природных смол (в зависимости от породы дерева). В качестве наполнителя пластмасс используется мука с размером частиц от 40–50 до 300 мкм. Мука из древесины лиственных пород имеет более низкие тепло-, влаго- и химостойкость. Наиболее широко применяется в производстве фенольных и мочевино-формальдегидных пресс-материалов общего назначения. За рубежом находит также применение мука из скорлупы орехов — миндаля, грецкого, лесного, кокосового, арахисового и др. Эта мука позволяет получать материалы с более высокими твердостью, влагостойкостью и электроизоляционными свойствами.
В зависимости от технологии производства и наполнения полимеры могут характеризоваться различными свойствами, влияющими в итоге на эффективность наполненных материалов и их качество. Поэтому к наполнителю предъявляются требования исходя из того, какие свойства материала желательно получить в разрабатываемом изделии.
Требования к свойствам композиционных материалов предъявляют в зависимости от назначения изделия. В одних случаях требуются высокие физико-механические характеристики, в других — повышенные теплоизоляционные свойства [8].
К числу общих требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям относятся [1, 8]: способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем с образованием однородной композиции; хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера (наполнитель должен иметь шероховатую поверхность, что обеспечит лучшее сцепление наполнителя с полимером); отсутствие склонности к агломерации частиц; однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка); стабильность свойств при хранении, переработке и эксплуатации материалов; наполнители не должны растворяться в пластификаторах, разлагаться при температуре переработки полимера и выделять летучие продукты; отсутствие веществ, катализирующих разложение полимера; отсутствие склонности к изменению окраски в процессе переработки; низкая стоимость; химическая и термическая стойкость; нетоксичность.
Таким образом, применяя в качестве наполнителей различные вещества, появляется возможность создания новых композиционных материалов с различными эксплуатационными свойствами, что позволит расширить области применения этих материалов и решать проблему утилизации полимерных отходов.
Литература:
1. Басов, Н.И., Любартович, С.А., Любартович, В. А. Контроль качества полимерных материалов [Текст]/ Под ред. В.А Брагинского.– Л.: Химия, 1990. — 112 с.
2. Ершова О. В., Чупрова Л. В. Получение композиционного материала на основе вторичного поливинилхлорида и техногенных минеральных отходов// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 5–1. — С. 9–12.
3. Ершова О. В., Муллина Э. Р., Чупрова Л. В., Мишурина О. А., Бодьян Л. А. Изучение влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства полимерного композиционного материала // Фундаментальные исследования. 2014. № 12–3. С. 487–491.
4. Ершова О. В., Ивановский С. К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. Минеральные техногенные отходы как наполнитель композиционных материалов на основе полимерной матрицы//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 6–2. — С. 196–199.
5. Ивановский С. К., Гукова В. А., Ершова О. В. Исследование свойств вспененных композитов на основе вторичных полиолефинов и золы уноса // В сборнике: Тенденции формирования науки нового времени Сборник статей Международной научно-практической конференции: В 4 частях. отв. редактор А. А. Сукиасян. г. Уфа, республика Башкортостан, 2014. С. 18–24.
6. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / Под ред. А.А Берлина. — СПб.: Профессия, 2008.- 560 с.
7. Осипов, П. О. Проблемы утилизации и переработки полимеров [Электронный ресурс]: Pakkermash, 2008. — Режим доступа: http://www.pakkermash.ru/
8. Пахаренко, В.А., Зверлин, В.Г., Кириенко, Е. М. Наполненные термопласты [Текст]: Справочник / под ред. Липатова Ю. С. — К.: Техника, 1986–182 с.
9. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. — 2013. — № 5. — С. 123–125.
10. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В., Ершова О. В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 4. — С. 212; URL: www.science-education.ru/118–14200 (дата обращения: 14.04.2015).
11. Gukova V. A., Ershova O. V. The development of composite materials based on recycled polypropylene and industrial mineral wastes and study their operational properties// В сборнике: European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences Vienna, 2014. С. 144–151.
