خواص انواع فیلر پلیمر + نکات فنی

 

فیلرها عمدتا مواد معدنی و در برخی مواد ترکیبات آلی هستند که به منظور کاهش قیمت و ایجاد برخی خواص به پلیمرها افزوده می‌شوند. فیلرها نقش مهمی در اقتصاد پلیمر دارند. انواع فیلر حجم اقتصادی در حدود 18 میلیارد را به خود اختصاص داده اند. مهم ترین فیلرهای مورد استفاده در صنعت پلیمر کربنات کلسیم، تالک، میکا، کائولن، الیاف شیشه، الیاف چوب، دوده می‌باشند. این مواد قادرند علاوه بر کاهش قیمت پلیمر سبب بهبود خواصی از جمله افزایش دمای HDT، افزایش مقاومت در برابر شعله، افزایش مدول کششی، افزایش مقاومت ضربه، افزایش ضربه پذیری و موارد دیگری شوند. امروزه تکنولژی فیلرها در حال پیشرفت می‌باشد و انواع فیلر سنتزی و فیلرهای نانو برای ایجاد خواص منحر به فرد در حال توسعه هستند. افزایش دانش در مورد فیلرها به تولید محصول بهینه و پیشرفته کمک خواهد کرد. در این مقاله به بررسی انواع فیلر و خواص هر کدام پرداخته شده است.

پر کننده یا فیلر به دو دسته عمده آلی و معدنی تقسیم بندی می‌شوند. هر کدام از این دو خود می‌توانند به صورت طبیعی و سنتزی باشند. پر کننده‌های از نظر میزان برهمکنش با پلیمر به سه دسته فعال، غیر فعال و نیمه فعال تقسیم بندی می‌شوند. فاکتورهای زیر برای سنجش کیفیت و کاربرد پر کننده مهم است.

شاخص BET

اندازه ذره

ماهیت شیمیایی

شکل ظاهری

دانسیته بالک

سختی

 

شاخص BET  چیست؟

. تعیین میزان فعالیت پر کننده با شاخص‌های مختلفی قابل اندازه گیری است. یکی ازمهم ترین شاخص‌ها در این زمینه شاخص BET  است. پر کننده‌ها را از نظر شاخص BET  می‌توان به چهار گروه تقسیم بندی کرد.

شاخص BET  بر اساس جذب سطحی هم دمای فیلر تعریف شده و بالا بودن آن نشان از بالا بودن سطح پر کننده است. در این روش میزان جذب گاز نیروژن و یا ترکیباتی چون دی بوتیل فتالات توسط تجهیزات خاصی اندازه گیری می‌شود.به بیان ساده این شاخص مجموع سطح در تماس فیلر را نشان می‌دهد. شاخص BET  در مورد سنجش میزان سطح پر کننده بخصوص در کاربردهایی پیشرفته از جمله کاتالیست پتروشیمی اهمیت زیادی دارد.

شاخص BET  و کلوخه ای شدن

کلوخه شدن یا اگلومره شدن عامل منفی برای پخش فیلر در پلیمر است. هر چقدر  شاخص BET  یا همان سطح تماس فیلر بیشتر باشد ریسک کلوخه ای شدن افزایش خواهد یافت.

 

پر کنندخ خنثی

این پرکننده دارای شاخص BET  در محدوده زیر 10m2/g  می‌باشد.

 

پر کننده نیمه فعال

این پر کننده درای شاخص BET  در محدوده 10m2/g  تا 60 می‌باشد.

بیشتر پر کننده‌ها از جمله پر کننده‌ها سیلیکاتی در این محدوده هستند.

پر کننده فعال

این پر کننده دارای شاخص BET  بیش از 60m2/g  است.

پر کننده فوق فعال

این نوع فیلرها دارای شاخص BET  بالا تر از عدد 10m2/g  می‌باشد.

پر کننده‌ها نانو از جمله نانو کلی، نانولوله کربنی و ... در این دسته بندی قرار می‌گیرند.

 

تقسیم بندی پر کننده بر اساس اندازه ذره

اندازه ذراه پر کننده‌ها مابین 10 نانومتر تا 100 میکرون می‌باشد و بر این اساس به چهار دسته تقسیم بندی می‌شوند.اندازه ذرات معمولا بر اساس مش بیان می‌شود. مش 2000 برابر اندازه ذره 5 میکرون و مش 800 برابر اندازه ذره 20 میکرون است.

پر کننده‌هایی با اندازه ذرات 10 نانومتر

اندازه ذرات کربن بلک یا دوده و همچین نانوفیلرها از جمله نانوکلی ( Nano Clay)  در این محدوده است.

 

پر کنندهایی با اندازه ذرات 100نانومتر

در این دسته بندی انواع پر کننده سیلیکاتی قرار دارند.

 

پر کننده با اندازه ذرات 10 میکرون

در این دسته بندی کلسیم کربنات رسوبی و برخی گریدهای تیتانیم دی اکسید قرار دارند.

 

پر کننده با ابعاد 100 میکرون

فیلر کربنات کلسیم آسیابی در این محدوده اندازه ذره قرار می‌گیرد.

 

 

تفاوت شاخص BET  و اندازه ذره

شاخص BET  میزان سطح در تماس یک فیلر را نشان می‌دهد و با اندازه ذرات آن در ارتباط است با این حال این دو فاکتور با هم یکی نیستند چرا که دو فعل با دو شکل متفاوتی و اندازه یکسان شاخص BET  متفاوتی خواهند داشت.

 

 

تقسیم بندی پر کننده بر اساس ساختار شیمیایی

 اکسیدها

از جمله مهم ترین اکسیدها الیفا شیشه هستند. الیاف شیشه نوع S، الیاف شیشه نوع E  از مهم ترین نوع الیاف شیشه هستند. در الیاف شیشه بسته به درصد اکسیدهای مختلف از جمله اکسید سیلیسیوم، آلومینیوم، منیزیم، روی و...خواص متفاوتی ایجاد خواهد شد. همچنین نوع اصلاح کننده یا سایزر الیاف شیشه بر تعیین کاربرد آن موثر است.

 

هیدروکسیدها

منیزیم هیدروکسید و آلومینیوم هیدروکسید از مهم ترین پرکننده‌های هیدروکسید هستند که خواص ضد شعله دارند و کاربرد گسترده ای در تولید کابل از جمله کابل پلی اتیلن کاربرد دارند.

 

 نمک‌ها

مهم ترین نمک‌های معدنی مورد استفاده در صنعت کلسیم کربنات، سولفات باریم، سولفات کلسیم، نمک پایه فسفات و هیدروتالسیت و ... هستند.

 

سیلیکات‌ها

تالک، میکا، کائولن، ولاستونیت، آزبست، مونتموريلونيت از مهم ترین سیلیکات‌ها هستند. در ایران به علت منابع گسترده بیشتر از تالک استفاده می‌شود. میکا و تالک بیشتر در آمریکا موجود می‌باشند. سیلیکات‌ها در مقاله جداگانه ای بررسی شده است.

 

پر کننده آلی پایه کربن

کربن بلک و گرافیت از جمله مهم ترین پر کننده پایه کربن هستند.

 

 

پر کننده پلیمری

این نوع پر کننده‌ها عمدتا از نوع پلیمرهای طبیعی هستند که مهم ترین آنها الیاف چوب می‌باشد. برخی پر کننده‌های سنتزی نیز از جمله پلی استر و پلی آمید به عنوان پر کننده پلیمر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

تقسیم بندی پر کننده بر اساس شکل ظاهر و نسبت طول به قطر

 

پر کننده‌ها می‌توانند به صورت کروی، صفحه ای و سوزنی شکل باشند. Aspect ratio  یا ضریب لاغری برای پرکننده‌های مختلف متفاوت است. افزایش ضریب لاغری سبب افزایش خواص تقویت کنندگی پر کننده می‌شود.

به طور کلی تالک، کائولین، الیاف چوب، کلسیم کربنات ضریب لاغری کمتری دارد. و میکا، نانوکلی و الیاف کربن ضریب لاغری بیشتری دارند.

شکل	Aspect ratio	مثال‌های تجاری
مکعبی	1	فلدسپار
کروی	1	شیشه کروی
صفحه ای	4-30	کائولین و تالک
پرک	50-200	میکا، گرافیت و نانوکلی
فیبر	20-200	الیاف شیشه، والستونیت، الیاف کربن

 

چگالی بالک در فیلرها

Bulk density  یا چگالی توده عامل مهمی در حرکت و انتقال جامد است. در بالک دانسیته بر خلاف دانسیته معمول فضای بین ذرات نیز در نظر گرفته می‌شود. هر چقدر فضای بین ذرات بیشتر باشد میزان بالک دانسیته کمتر می‌شود. بالک دانسیته پایین پایین سبب مشکلاتی در خورک دهی می‌شود.

 

کندور چیست؟ کندور از جمله تجهیزاتی است که در پلیمرها برای افزایش میزان بالک دانسیته استفاده می‌شود.

 

سختی فیلرها

پر کننده‌های بر اساس ماهیت شیمیایی سختی متفاوتی دارند. تالک دارای سختی پایینی است در حالی که الیاف شیشه سختی بالایی دارد.

 

 

قیمت پرکننده در بازار جهانی

برخی از گریدها به علت داشتن منابع فراوان داخلی در ایران ارزان تر هستند.

 

نوع پر کننده	قیمت به دلار
کربنات کلسیم	0.3-0.6
خاک رس	0.4-0.7
دوده	0.7-1.2
تالک	1.1-1.4
کلی کلسینه شده	1.5-1.7
والستونیت	1.6
سیلیکا	1.7-1.9
کلسیم کربنات رسوبی	1.9

 

 

 

 

 

 

فیلر بر پایه کربنات کلسیم

 

فیلر کربنات کلسیم از مهم ترین مواد معدنی مورد استفاده در صنعت پلیمر است. این ماده ارزان است، تولید آن راحت و منابع در دسترس آن فراوان است. رنگ سفید کربنات کلسیم و عدم تاثیر زیاد بر روی بد رنگی محصول سبب شده تا به محبوبیت بالایی در بین تولید کنندگان دست پیدا کند. با وجود قیمت بالاتر کربنات کلسیم در بازار جهانی این ماده در محدوده قیمت 0.1 دلار در بازار این معامله می‌شود.  کربنات کلسیم عمدتا از سنگ مرمر و آهک تهیه شده و شامل 90 درصد CaCO3  است. کربنات کلسیم هم به صورت پودری و هم به شکل مستربچ کربنات کلسیم در صنعت پلیمر استفاده می‌شود. مستریچ کربنات کلسیم از جمله مطرح ترین مستربچ‌ها در صنعت پلیمر از جمله صنعت پلی اتیلن است. کربنات کلسیم اگر چه ماده ای ساده به نظر میرسد اما استفاده تخصصی از آن نیاز به اطلاعات تخصصی دارد در پلینو به بررسی تخصصی این ماده پرداخته شده است از جمله می‌توانید مقاله اثر کربنات کلسیم در پی وی سی را مشاهده کنید. پر کننده کلسیم کربنات به دو دسته عمده کربنات رسوبی و آسیابی تقسیم بندی می‌شوند. این ماده سبب افزایش مدول شده و بر اساس اندازه ذره می‌تواند اثرات متفاوتی بر روی میزان مقاومت ضربه داشته باشد.

 

اثر کربنات کلسیم در پلیمر در جدول زیر آورده شده است.

اثر بر مدول کششی	اثر بر قیمت	اثر بر مقاومت الکتریکی	سایش	جمع شدگی	مقاوت UV
بالا می‌برد	کاهش میدهد	بهبود می‌دهد	ساینده است	کاهش می‌دهد	تا حدودی بهبود می‌دهد.

 

 

فیلر پایه سیلیکات ورقه ای

سیلیکات ورقه ای شامل پنج گروه اصلی هستند. که در مقاله اختصاصی با همین نام در پلینو به صورت مفصل به آنها پرداخته شد. انواع تالک، میکا و کائولن از جمله مهم ترین سیلیکات‌های ورقه ای هستند که در صنعت پلیمر به عنوان پر کننده کاربرد دارند.

 

فیلر بر پایه تالک

تالک یک سیلیکات ورقه ای از نوع منیزیم سیلیکات است. این ماده سختی پایینی داشته و حالت نرم و گریسی دارد تا جایی که در برخی صنایع به عنوان روان کننده معدنی نیز استفاده می‌شود. تالک در صنعت پلیمر به عنوان یک فیلر پر کاربرد مطرح است. این ماده در صنعت پلی پروپیلن از 20 تا 50 درصد در تولید کامپاند پلی پروپیلن استفاده شده و تا 60 درجه سانتی گراد دمای HDT  را افزایش می‌دهد. در فیلم آموزشی با همین عنوان به بررسی اثر تالک در پلی پروپیلن پرداخته شده است. از جمله خواص مهمی که تحت تاثیر تالک قرار می‌گیرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

 

قیمت تمام شده	دمای HDT	مدول کششی	استحکام کششی
کاهش می‌دهد.	افزایش می‌دهد.	افزایش می‌دهد.	می‌تواند بهبود دهد.

 

 

 

کائولین کلسینه شده

در فرآیند کلسینه شدن ماده معدنی را تا دمای بالایی حرارت می‌دهند. حرارت بالا سبب از دست دادن بلور در ساختار کریستالی و در نتیجه ایجاد بلورهای جدید می‌شود.

استفاده از کائولین کلسینه شده در صنعت رنگ

کائولین کلسینه شده از میزان سفیدی بالایی برخوردار است و در برخی صنایع از جمله صنعت رنگ می‌توان از این ماده به عنوان جایگزین اکسید تیتانیم استفاده نمود.

 

میکا

میکا به دو صورت dry  و wet  وجود داشته و در صنایع مختلف از جمله پلی پروپیلن کاربرد دارد. این ماده قابلیت افزایش دمای hdt  پلی پروپیلن را به میزان 30 درجه سانتی گراد دارد و در موارد ممکن است میزان مقاومت ضربه را نیز افزایش دهد. این ماده نیز مانند سایر پر کننده‌ها سبب افزایش مدول خمشی می‌شود.