Основные характеристики дисперсных наполнителей

1)Размер и форма частиц.

Форма частиц порошка может быть самой разнообразной. В связи с таким разнообразием форм частиц, очень трудно определять размеры частиц. Поэтому введена стандартная характеристика размера частицы – диаметр эквивалентной сферы (ДЭС), т.е. диаметр такой сферы, объем которой равен объему частицы. Средний размер частиц наиболее часто применяемых наполнителей может меняться от нескольких нанометров (ДЭС = 7 нм у аэросила А300, ДЭС = 28 нм у технического углерода П267) до нескольких десятков микрометров (ДЭС = 45 мкм у силикагеля ИКТ-9-7, ДЭС = 120 мкм у мела L1).

Размеры частиц могут быть измерены при помощи ситового анализа – сухого для крупных частиц и мокрого – для частиц, размеры которых меньше 150 мкм. Ситовой анализ дает не ДЭС, а минимальный геометрический размер частиц, проходящих через сито. Например, значения ДЭС для призматических частиц обычно в 1,2÷1,4 раза больше, чем размер, полученный методом ситового анализа. Почти все промышленные минеральные наполнители являются фракционированными, т.е. после прохождения частиц наполнителя через набор сит. Качественный анализ наполнителей обычно заключается в оценке зернистости и характера распределения частиц по размерам.

Форма частиц большинства наполнителей различается чрезвычайно сильно (таблица 7.1). Наполнители могут иметь сферическую (стеклосферы), кубическую (кальцит), призматическую (полевой шпат, оксид бария), пластинчатую, чешуйчатую (каолин, слюда, тальк, графит) или игольчатую (силикат кальция, древесная мука) форму. Кроме того, многие наполнители имеют настолько сложную форму частиц, что ее невозможно описать никакой простой моделью.

Таблица 7.1. Формы частиц различных наполнителей

Удельная поверхность частиц

Одним из важнейших параметров дисперсных наполнителей является удельная поверхность (S_уд). Она определяется как площадь поверхности наполнителя, приходящаяся на единицу массы (измеряется в м²/г или м²/м³). Эффективность введения наполнителей в полимеры во многих случаях зависит от этого параметра.

В зависимости от метода измерения различают геометрическую и адсорбционную удельные поверхности. Геометрическую удельную поверхность(S_геом) частиц с простой формой (шар, куб, призма) можно рассчитать арифметически. Величина S_геом наполнителей со сложной формой частиц также определяют расчетным путем, предварительно измерив размеры отдельных участков ее поверхности при помощи микроскопа. Например:

S_геом = K/ρ ∙ dW/X_m,

где К – коэффициент пропорциональности, учитывающий форму частиц (для сфер К = 6, для призматических частиц К = 12, для пластин К = 18, для тонких частиц К = 18÷30), dW – массовая доля данной фракции, Х_m – среднее значение размера частиц (ДЭС) соответствующей фракции.

Из этого следует, что уменьшение размера частиц повышает удельную поверхность наполнителя. Например, для стеклянных сфер с плотностью 2,5 г/см³ и с размером 10 мкм S_геом = 0,24 м²/г, для сфер с размером 10 нм S_геом = 240 м²/г.

Однако такой метод определения поверхности частиц сложной геометрической формы не дает точного определения ее размера. Это происходит из-за того, что некоторые наполнители имеют большое количество пор и микропор или других видов несовершенства структуры, которые невозможно измерить при помощи микроскопа. Поэтому для определения удельной поверхности, близкой к истинному значению, определяют адсорбционную удельную поверхность.

Определение удельной адсорбционной поверхности (S_адс) основано на адсорбции поверхностью твердой частицы низкомолекулярных веществ. Принимают, что количество адсорбируемого вещества (адсорбата), необходимое для образования мономолекулярного слоя на частице наполнителя, пропорционально площади ее поверхности:

S_адс = w ∙ a_м ∙ N_А,

где w – площадь, занимаемая одной молекулой низкомолекулярного вещества, a_м – количество адсорбата, необходимое для образования мономолекулярного слоя, N_А – число Авогадро.

3. Максимальна объемная доля наполнителя (φ_m)

Величина φ_m характеризует максимальное количество наполнителя, которое можно ввести в полимер. Оно определяется как отношение истинного объема частиц наполнителя (V_нп) к общему объему, фактически занимаемому ими (V_общ) при максимально плотной упаковке частиц:

φ_m = V_нп / V_общ .

Максимальное количество наполнителя, которое можно ввести в полимерный материал зависит от формы его частиц и характера их упаковки. Для каждого вида упаковки характерно свое значение φ_m при их наиболее плотной упаковке (табл. 7.2).

Таблица 7.2. Значения φ_m при различных способах упаковки сфер

одинакового размера

4. Коэффициент Эйнштейна (k_E).

Константа k_E характеризует форму частиц наполнителя. Достаточно точным методом определения коэффициента Эйнштейна является реологический метод. Он заключается в построении зависимости эффективной вязкости жидкой среды от объемной доли частиц наполнителя, содержащихся в ней (рис. 7.1). Тангенс угла наклона начального участка кривой численно равен k_E(k_E=tgα). Коэффициент Эйнштейна минимален для сфер и равен 2,5. Чем сложнее форма частиц и чем она больше отличается от сферической, тем больше величина k_E.

Оба рассмотренных выше параметра – коэффициент Эйнштейна и максимальная объемная доля наполнителя (φ_m) характеризуют форму частиц наполнителя. Чем сложнее форма частиц наполнителя, тем больше величина k_E и меньше значение φ_m.

Рис. 7.1. Зависимость вязкости жидкости

от содержания в ней наполнителя

Твердость частиц

Прочность частиц наполнителя очень важна при создании ПКМ. Однако определить это свойство для очень мелких частиц невозможно. Поэтому физико-механические свойства наполнителей оценивают потвердости.

Существуют различные методы оценки твердости материалов, в частности, шкала Мооса, широко используемая для сравнения твердости минералов (табл. 7.3), которая служит также показателем абразивной способности материалов.

Таблица 7.3. Показатели твердости материалов по Моосу

По этому методу дисперсные частицы сравниваются по их способности оставлять царапины на гладкой твердой поверхности эталонных материалов. Шкала Мооса является относительной и нелинейной.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 901; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!