4 Полевой шпат и нефелин
Полевой шпат и нефелин - близкие по составу минералы, представляющие собой безводные щелочные алюмосиликаты и используемые в качестве дисперсных наполнителей полимерных материалов. Полевой шпат обладает высокой химической стойкостью. Он производится в виде порошков крупной или средней дисперсности и имеет относительно низкую удельную поверхность. Полевой шпат применяется в тех же областях, что и карбонат кальция или кремнезема.
Достоинства полевого шпата как дисперсного наполнителя полимерных материалов: прозрачность или полупрозрачность большинства наполненных ими полимерных композиций; хорошая смачиваемость и диспергируемость в большинстве полимеров; легкость удаления воздуха, попадающего в процессе приготовления композиции; незначительное их влияние на активность промоторов, ускорителей и других ингредиентов полимерных композиций; низкая вязкость и высокая текучесть полимерных композиций на их основе даже при высоких степенях наполнения; малый расход красителей (пигментов) для достижения необходимой окраски композиций на их основе; повышенная хим-, атмосферо-, и износостойкость; пригодность для использования в производстве материалов, эксплуатируемых в контакте с пищевыми продуктами; безвредность для здоровья человека даже при попадании внутрь.
К недостаткам полевого шпата как наполнителя полимерных материалов следует отнести его крупнозернистость и повышенную абразивность. Для низковязких композиций может наблюдаться расслоение вследствие оседания крупных частиц наполнителя.
Получение. Исходным сырьем для получения наполнителей из полевого шпата служит белый гранит, добываемый карьерным способом, который подвергают дроблению, измельчению до частиц, проходящих через сито 20 меш (740 мкм), промывке водой и флотации в псевдокипящем слое для удаления кремнезема, слюды и других примесей. После этого полученные продукты сушат и дополнительно измельчают в продуваемой воздухом шаровой мельнице с футеровкой из глинозема. На заключительной стадии технологического процесса полученные порошки фракционируют с целью достижения заданного распределения частиц по размерам. Выход порошков составляет около 50 процентов от исходного гранита. Обширные месторождения белого гранита находятся на территории США в западной части штата Северная Каролина.
Химические свойства. Полевой шпат и нефелин - минералы, относящиеся к классу тектосиликатов. Полевой шпат и нефелин отличаются друг от друга главным образом соотношением кремнезема и глинозема в их составе. Как и в других силикатах, элементы, входящие в состав кристаллической решетки полевого шпата, связаны кислородом, что обуславливает отсутствие элементов и ионов, способных вступить в химические реакции. По сравнению с полимерами полевой шпат обладает значительно более высокой химической стойкостью, даже при действии очень агрессивных сред; рН полевого шпата изменяется в зависимости от типа свободных ионов, имеющихся на поверхности частиц. Свободные ионы взаимодействуют с водородными ионами воды (хемосорбция) с образованием свободных гидроксилов, что обуславливает щелочную рН полевого шпата, увеличивающуюся с уменьшением размера частиц.
В отличие от полевого шпата, кристаллы которого раскалываются по плоскостям, расположенным почти под прямыми углами друг к другу, кристаллы нефелина раскалываются преимущественно вдоль плоскости кристаллов, обнажая при этом на поверхности оксиды щелочных металлов. Поэтому размер частиц нефелина практически не влияет на его рН. Полевой шпат и нефелин - обладают очень высокой стойкостью к щелочам.
Физические свойства. Оба наполнителя представляют собой не индивидуальные силикаты, а твердые растворы. При их дроблении и измельчении образуются частицы неправильной формы. Поскольку при дроблении полевого шпата раскалывание происходит по плоскостям, расположенным под углом 90°, то его порошок состоит из частиц, представляющих собой блоки и осколки. Порошкообразные наполнители из полевого шпат содержат частицы с минимальными размерами 0,5 мкм вследствие трудности дробления таких вязких материалов (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 - Микрофотографии частиц нефелина Минекс 4 (а) и полевого
шпата LU-330 (б). Увеличение 1300.
Ниже приведены химический состав и некоторые свойства полевого шпата:
Химический состав, % (масс.)
Диоксид кремния 67,8
Оксид алюминия 19,4
Оксид кальция 1,7
Оксид натрия 7,0
Оксид калия 3,8
Оксид железа Не более 0,08
Диоксид титана Следы
Оксид магния Следы
Содержание свободной воды (100ºС), % Не более 0,5
Показатели:
Плотность, кг/м3 2600
Средний показатель преломления 1,53
Твердость по Моосу 6-6,5
С уменьшением размеров частиц полевого шпата до 5 мкм и ниже его абразивность снижается вследствие уменьшения заостренности краев частиц. Этот наполнитель характеризуется очень низкой удельной поверхностью, обусловленной достаточно большими размерами основной массы частиц и низким содержанием мелких фракций.
Электрические свойства. Для полевого шпата характерны несколько более высокие показатели электрических свойств, чем для нефелина, хотя и более низкие, чем для кремнезема. Использование полевого шпата оказывается особенно эффективным в полимерных материалах с высокой степенью наполнения, обеспечивающей высокое удельное поверхностное электрическое сопротивление. Электрическая прочность эпоксидных и полиэфирных композиций, наполненных полевым шпатом, соизмерима с электрической прочностью аналогичных композиций, наполненных кварцем. Сорбированная влага, дефекты кристаллической решетки или наличие примесей, таких как черный оксид железа в нефелиновом сиените, обуславливают возможность образования токопроводящих мостиков на поверхности частиц полевого шпата или нефелина и определяют электропроводность наполненных композиций. Поэтому для получения наполненных композиций с высоким электрическим сопротивлением чрезвычайно важно обеспечить полное и равномерное смачивание частиц наполнителя полимерным связующим, чтобы пассивировать потенциальные очаги проводимости.
Теплофизические свойства. Коэффициенты теплопроводности полевого шпата и нефелина находятся в пределах(2,34-3,43) · 10-3 Вт/(м · К) по сравнению с этими показателями (0,08-0,21) · 10-3 Вт/(м · К) для полимеров и, следовательно, они значительно лучше проводят тепло, чем полимеры. Удельная теплоемкость обоих наполнителей составляет примерно 0,08 ·10-3 Дж/(кг·К) в отличие от (1,26-2,09) ·10-3 Дж/(кг·К) для большинства полимеров.
Оптические свойства. Одним из важнейших достоинств полевого шпата как наполнителя полимерных материалов является его относительно низкий показатель преломления -1,53. Благодаря хорошей смачиваемости и диспергируемости этого минерала в большинстве полимеров удается обеспечить хороший контакт по границе раздела фаз. А так как при этом большинство полимеров имеет показатель преломления примерно равный 1,53, то получаются прозрачные или полупрозрачные наполненные композиции, чего нельзя добиться при использовании других наполнителей.
Применение в качестве наполнителей. При получении наполненных полимерных композиций совмещением компонентов сухим или мокрым способом (из расплава или раствора) наполнители из полевого шпата и нефелина вводят обычно в последнюю очередь. В отличие от мелкодисперсных наполнителей крупнозернистые порошки полевого шпата и нефелина легко смачиваются полимерными связующими и равномерно распределяются в них, практически не образуя агломератов. Композиции, наполненные полевым шпатом, перерабатываются всеми известными способами. Полевой шпат оказывает значительно меньшее влияние на течение расплава и вязкость наполненных полимерных композиций по сравнению с другими типами дисперсных наполнителей при одном и том же среднем размере частиц.
Использование наполнителя из полевого шпата позволяет получать композиции с повышенной износостойкостью и высокими показателями прочности при растяжении, обусловленными прочным адгезионным сцепления наполнителя с полимерной матрицей по границе раздела фаз. Оптические свойства материалов на основе высокопластифицированного ПВХ и полевого шпата очень хорошие. Полевой шпат и нефелин являются прозрачными для излучений с длиной волны 0,3-1,5 мкм. Полевой шпат и нефелин являются также прозрачными для инфракрасного излучения.
Введение полевого шпата в ПВХ способствует получению композиций с повышенной стойкостью к тепловому старению. Особенно эффективным оказывается применение полевого шпата и нефелина в качестве дисперсных наполнителей полярных полимеров, таких как сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры этилена и винилацетата, полиамида, полиуретана и т. д. При этом получаются композиции с повышенной жесткостью, прочностью при изгибе и деформационной теплостойкостью. Для повышения разрушающего напряжения при растяжении таких композиций целесообразно обрабатывать поверхность частиц полевого шпата и нефелина кремнийорганическими аппретами.
Полевой шпат и нефелин исключительно легко диспергируются в полиэфирных связующих, не препятствуют удалению из композиций пузырьков воздуха, образовавшихся при их получении не оказывают влияния на активность промоторов и катализаторов, обеспечивают прекрасную текучесть, формуемость и малый износ технологической оснастки, а, будучи прозрачными, позволяют увидеть и оценить характер распределения волокнистого армирующего наполнителя.