5.4 Стеклообразный диоксид кремния (плавленый кварц)

Плавленый кварц (аморфный стеклообразный диоксид кремния) относится к термостойким материалам. Он имеет очень малый термический коэффициент расширения в интервале температур от абсолютного нуля (-273⁰С) до 1704⁰С (температура плавления кварца). Поэтому использование плавленого кварца в качестве наполнителя позволяет получать полимерные композиционные материалы с очень низкими термическими коэффициентами расширения и высокой стойкостью к тепловым ударам, оказывающиеся незаменимыми при эксплуатации в широком интервале температур и при их резкой смене. По другим показателям он близок к наполнителям на основе кристаллического диоксида кремния.

Основные свойства. Порошок плавленого кварца обычно содержит как крупные фракции, проходящие через сита 4 – 10 меш (2,6 мм – 1,47 мм), так и тонкие фракции (пудру), проходящую через сито 325 меш (44 мкм) и имеющие удельную поверхность 9 м²/г. Он имеет более низкую плотность (2180 кг/м³) по сравнению с кристаллическим кварцем (2650 кг/м³), которая обуславливает более высокую устойчивость к расслаиванию полимерных композиций, наполненных порошками плавленого кварца. Термический коэффициент расширения плавленого кварца, равный 0,310^-6 К^-1 ,значительно меньше, чем у других выпускаемых промышленностью дисперсных минеральных наполнителей. Этим обусловлена возможность получения полимерных композиционных материалов на его основе с наименьшими известными термическими коэффициентами расширения. Плавленый кварц состоит практически из чистого диоксида кремния. Типичный состав (в %) плавленого кварца: SiO₂ – 99,6; Al₂O₃ – 0,2; Fe₂O₃ – 0,04; Na₂O и К₂О – 0,02.

Применение. Порошки плавленого кварца состоят из фракций с тщательно контролируемым распределением по размерам и удельной поверхности. Наиболее эффективно их использование для материалов электротехнического назначения. При их использовании получают материалы с очень низкими термическими коэффициентами расширения (и, соответственно стабильными размерами деталей), исключительно высокой стойкостью к тепловым ударам и высокими прочностными показателями.

Порошки плавленого кварца нашли применение в качестве наполнителей силоксановых каучуков, эпоксидных смол, фторсодержащих полимеров и др.

6 Тальк

Минерал тальк представляет собой гидратированный силикат магния следующей химической формулы 3MgO4SiO₂H₂O, относящийся к подклассу филлосиликатов. Теоретически он содержит 31,7% MgO, 63,5% SiO₂ и 4,8% H₂O. Состав реального минерала содержит примеси (оксиды и карбонаты кальция, алюминия в виде кальцита, доломита, хлорита, магнезита и т.п.), и зависит от месторождения. В качестве наполнителя для полмерных материалов наибольшую ценность представляет тальк в виде тонкоизмельченного порошка белого цвета с пластинчатыми частицами, которые оказывают усиливающий эффект.

Добыча таклька осуществляется традиционными для горной промышленности методами – карьерным или шахтным. Выработанную , очищенную и обогащенную породу подвергают дроблению, измельчению и фракционированию. Для получения материалов со специальными свойствами используют прокаленный тальк (содержит минимальное количество примесей).

Тальк имеет триоктаэдральную трехслойную структуру: монокристаллы талька состоят из трех слоев. Внутренний слой – бруцит (гидрооксид магния MgOH₂O), внешние слои – кремнезем (SiO₂). Слои связаны между собой слабыми Ван-дер-ваальсовыми связями и легко смещаются относительно друг друга под действием сдвиговых напряжений. Химически инертное вещество, характеризуется высокой кислотостойкостью.

Физические свойства. Чистый тальк имеет наименьшую твердость из всех известных минералов и является скользким на ощупь. Твердость по Мосу ( шкала от 1 до 10, 10- у алмаза) составляет 1. Твердость талька повышается с повышением содержания примесей.

Кристаллы талька могут иметь пластинчатую (ламеллярную), чешуйчатую (лепестковую), волокнистую (иглообразную) или блочную форму. В большинстве случаев в качестве дисперсного наполнителя используют частицы пластинчатой формы (рисунок 6.1)., такие частицы оцениваются по характеристическому отношению: отношение диаметра частиц к толщине. Тальк имеет высокое характеристическое отношение.

а б

Рисунок 6.1 – Электронная микрофотография частиц калифорнийского (а) и из штата Монтана (б) талька. Увеличение 5000.

Поверхностные свойства частиц зависят от месторождения, например, тальк из Монтаны гидрофобен, а тальк из Калифорнии – гидрофилен. Тальк имеет высокую удельная поверхность (из-за пластинчатой формы) и маслопоглощение, которые варьируются степенью диспергирования частиц.

Тальк типичный изолятор, имеет высокую термостойкость (до 900⁰С), низкий коэффициент теплопроводности и высокую стойкость к тепловым ударам. При нагревании тальк теряет часть связанной воды без каких-либо нарушений в структуре кристаллов и оптических свойств. Тальк характеризуется тремя показателями преломления: х = 1,539, у = 1,589 и z = 1,589. Угол между оптическими осями имеет малую переменную величину. Тонкодисперсные порошки талька имеют очень высокую степень белизны.

Плотность талька 2,7-2,8 г/см³; насыпной объем (0,36-0,38)  10^-3 м³/кг; насыпная плотность 0,16-0,24 г/см³ (для ультратонких порошков) и 0,48 г/см³ (для крупнозернистых); рН 5%-ной дисперсии в воде 9,0-9,5.

Механические свойства композиций на основе талька. Благодаря пластинчатой форме частиц высокому характеристическому отношению частиц тальк является усиливающим наполнителем (рисунки 6.2, 6.3), введение талька улучшает текучесть, формуемость композиций и снижает усадки при формовании, повышает качество поверхности деталей. Введение талька в ПП, ПВХ (рисунок 6.4) , ПА и фенольные пресс-композиции дает повышение модуля упругости без снижения прочности.

а	б
Рисунок 6.2 - Влияние содержания талька (1) и карбона кальция (2) на модуль упругости при изгибе (а) и предел текучести при растяжении (б) полипропилена.

а	б
Рисунок 6.3 – Температурные зависимости модуля упругости при изгибе (а) и предела текучести при растяжении (б) ненаполненного (1) и наполненного 40% масс. талька (2) и 40 % масс. карбоната кальция (3) полипропилена.

а	б
Рисунок – Температурные зависимости модуля упругости при изгибе (а) и предела текучести при растяжении (б) жесткого ненаполненного (1) и наполненного 30 % масс. талька (2) и 30 % масс. карбоната кальция (3) поливинилхлорида.

Для обеспечения прочного адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз частицы талька обрабатывают кремнийорганическими аппретами, что позволяет получать материалы с более высокой жесткостью (особенно при повышенных температурах), стойкостью к тепловому удару и ударным нагрузкам.