1. اثر پرکننده ها بر ویژگی های مواد پلاستیک
پرکننده ها می توانند تمامی ویژگی های پلیمرها را تغییر دهند؛ظاهر،رنگ،چگالی، همرفتگی،ضریب انبساط گرمایی، هدایت الکتریکی، تراوایی و ویژگی های مکانیکی و گرمایی.تاثیر پرکننده بر ویژگی ها تابع نوع آن ، روش افزودن واختلاط ، مقدار و آماده سازی سطح پرکننده است.حضور و یا آرایش ذرات پرکننده می تواند بر ویژگی های ذاتی پلیمر مانند بلورینگی(پلی اتیلن،پلی آمید و..) و یا دمای تبدیل شیشه ای آن تاثیر بگذارد.گذشته از این اثرات جانبی، هدف اصلی از افزودن پرکننده ها، بعد از کاهش قیمت، بهبود ویژگی های مکانیکی و گرمایی است.
اولین ویژگی که با افزودن پرکننده بهبود می یابد صلبیت و سفتی پلیمر است.این بهبودتابع مدول پرکننده و یلاستیک،مقدار پرکننده، نسبت طول به عرض پرکننده و برهم کنش پلیمر و پرکننده است. به طور معمول با افزایش صلبیت، پلیمر شکننده می شوند و چقرمگی آن و استحکام ضربه ی آن کم می شود. استحکام ضربه ی یک پلیمر دارای پرکننده به شدٌت متاثر از حضور ذرات درشت است، زیرا ذرات درشت مانند یک نقص عمل می کنند و نقطه ی شروع شکست می شوند.پوشش دهی سطح پرکننده با ماده ای که چسبندگی خوب با پلیمر داشته باشد، کمی از این مشکل می کاهد.
2.1 معیارهای انتخاب پرکننده
انتخاب پر کننده ها برای هر کاربرد، فقط از روی ویژگی های مورد نظر امکان پذیر است ولی می توان یک سری اصول کلی را به ترتیب زیر ذکر کرد؛
· پرکننده باید در شرایط فرایند پلیمر (دماو فشار)ساختار خود را حفظ کند، بی اثر یاقی بماند، حل نشود،تخریب نشود، مواد فرار ایجاد نکند، باعث تخریب پلیمر نشود و افزودنی های دیگر را به خود جذب نکند.
· پرکننده باید با پلیمر سازگار باشد(پلیمر سطح آن را خیس کند) و ساینده نباشد.
· انتقال آن آسان باشد، یعنی چگالی توده ای آن زیاد باشد، رطوبت آن کم باشد، غبار ایجاد نکند و سمی نباشد.در ادامه اثرات پرکننده ها بر ویژگی های اصلی مواد پلیمری به ترتیب مورد توجه قرار می گیرند.
1.1.1 چگالی
چگالی پرکننده ها به دقت اندازه گیری شده اند و مقدار آن در برگه ی مشخصات محصول، فروشندگان موجود است .چگالی یک پلیمر دارای پرکننده و در صد حجمی پرکننده را می توان محاسبه کر د.
وقتی پرکننده ی خریداری شده خود ترکیبی از چند پرکننده است، عدد چگالی داده شده خیلی دقیق نخواهد بود و اندازه گیری مستقیم چگالی پلیمر دارای پرکننده لازم استبه طور مثال پرکنندهی سنگینی مانند باریت، اغلب همراه مواد سبک تری مانند کربنات ها است.می توان با دانستن چگالی یک پلیمر دارای پرکننده و چگالی خود پرکننده، در صد وزنی پرکننده را نیز از روی این فرمول تعیین کرد.این روش در معرض خطاهای زیادی است و روش دقیق تر اندازه گیری در صد خاکستر است.
1.1.2 ویژگی های کششی
بیشتر پرکننده ها مدول کششی و استحکام تسلیم پلیمر ها را زیاد می کنند ولی تغییر طول در پارگی را کاهش می دهند،که در این قاعده استثنا نیز وجود داردبه طور ویژه در مقادیر کم، توزیع نامناسب، حضور کلوخه ها و چسبندگی ضعیف به پلیمر.تاثیر یک پرکننده بر ویژگی های کششی به شدت تابع نسبت طول به قطر آن است.هر چه این بیشتر باشد.در مقدار مساوی ویژگی های کششی بیشتر تقویت خواهند شد.در مقایسه پلیمرهای دارای پرکننده های مختلف با هم،بهتر است .به جای در صد وزنی، در صد حجمی با هم مقایسه شود، زیرا ویژگی ها بیشتر تابع در صد حجمی هستند تا وزنی.
در مصارفی که ویژگی های کششی مهم هستند باید در نظر گرفت که افت استحکام کششی در خط جوش برای پلیمرهای دارای پرکننده بیشتر است.به طور کلی می توان گفت که در پلاستیک های دارای الیاف افت استحکام در خط جوش تا 50در صد، در پرکننده های صفحه ای تا 30درصد و در پرکننده های گرد تا 15درصد است.
1.1.3 ویژگی های ضربه ای
به طور کلی افزایش صلبیت به معنی کاهش چقرمگی است.چقرمگی یک ماده با آزمون های بسیار متنوعی اندازه گیری می شود که لزوماٌ خیلی با هم همسان نیستند. به طور کلی استحکام ضربه ای پلیمر دارای پرکننده تابع نوع پرکننده و اندازه گیری آن، نوع پلیمر،دما،مقدارپرکننده، نسبت طول به قطر، کشش سطحی، افزودنی ها و بسیاری عوامل دیگر است.
از نظر پرکننده می توان گفت که استفاده از پرکننده ی ریزتر، گردتر و با پوشش دهی سطحی باعث بهبود استحکام ضربه ای می شود.پوشش دهی علاوه بر کمک به توزیع بهتر از تشکیل کلوخه ها که ضعیف هستند جلوگیری می کند.
در عمل بهبود استحکام ضربه ای یا از یک افزودنی بهبود دهنده ی استحکام ضربه ای استفاده می شود یا از یک پلاستیک اصلاح شده با لاستیک به عنوان ماتریس استفاده می شود.
1.1.4 ویژگی های گرمایی
پلاستیک ها هدایت گرمایی کم و ظرفیت گرمایی زیادی دارند.هدایت گرمایی بیشتر پرکننده ها حدود 10 برابر پلیمر ها است و همزمان ظرفیت گرمایی آنها حدود نصف پلیمرهاست. افزودن حدود 40 در صد وزنی یک پرکنندهبه پلاستیک ها هدایت گرمایی را حدود 3 برابر زیاد می کند و ظرفیت گرمایی را 30 در صد کم می کند. این دو تغییر باعث می شود تا سرعت تولید محصول به ویژه در تزریق افزایش یابد.زیرا سرعت سرد کردن زیاد می شود. ضریب انبساط گرمایی پلیمرها حدود 10 برابر پرکننده ها است، پس با افزودن پرکننده ها، می توان تغییرات ابعادی قطعات پلاستیکی بر اثر تغییر دما را کم کرد. از طرف دیگر تفاوت ضریب انبساط گرمایی پرکننده و پلیمر باعث می شود تا تغییرات دما باعث ایجاد تنش داخلی و تاب برداشتن قطعه شود. همرفتگی پلاستیک ها نیز با افزودن پرکننده کم می شود که مقدار آن تابع نوع و شکل پرکننده است. از آن جا که پرکننده های معدنی حتی با یک نام و از شرکت های مختلف، ویژگی های متفاوتی دارند. بهتر است که نوع پرکننده بعد از طراحی قالب عوض نشود، زیرا باعث تغییر همرفتگی و تفاوت در ایجاد قطعه ی تزریقی می شود. دمای خم شدن تحت بار (HDT ) مانند مدول و تنش تسلیم با افزایش مقدار پرکننده زیاد می شود.پرکننده هایی که به شکل الیاف هستند این اثر را بیشتر نشان می دهند.و می توانند تا یک سقفی دمای HDT را زیاد کنند، این سقف توسط دمای ذوب، دمای تبدیل شیشه ای و تخریب پلیمر تعیین می شود.
1.1.5 ویژگی های اصطکاکی و سطحی
پلیمرهایی مانند PTFE و پلی اتیلن ضریب اصطحکاک بسیار کمی دارند ولی از نظر خزش بسیار ضعیف هستند، به ویژه تحت بار مکانیکی زیاد. برای دستیابی به هر دو ویژگی یا به پلیمرهایی خزش خوب دارند پرکننده های روان کننده مانند mos2 ، گرافیت و تفلون اضافه می شود یا پرکننده های تقویت کننده به پلیمر های با ضریب اصطکاک کم افزوده می شود.
پر کننده ها باعث مات تر شدن سطح قطعه می شوند ولی با استفاده از پرکننده های ریزتر می توان این اثر را به حداقل رساند.با استفاده از پرکننده های خاص مانند گوی های شیشه ای، تالک پوشش داده شده و یا کائولن می توان مقاومت سطح به خراش را بهبود داد .بعضی پرکننده ها در ابعاد درشت می توانند با ایجاد زبری سطح از به هم چسبیدن سطوح جلوگیری کنند، که این ویژگی در تولید فیلم های پلاستیکی استفاده می شود.
1.1.6 ویژگی الکتریکی
هدایت الکتریکی پلیمرها را می توان به کمک پرکننده ها در دامنه ی گسترده ای تغییر داد.برای کم کردن مقاومت الکتریکی می توان از پرکننده های هادی برق مثل دوده، گرافیت،پودر و الیاف فلزی، میکا پوشش شده با فلز و مانند آن استفاده کرد.باید دقت کرد که در این موارد یک در صد وزنی بحرانی وجود دارد که کمتر از آن افزایش هدایت ناچیز است و بعد از آن هدایت به شدت زیاد می شود. برای ایجاد ویژگی های ضد الکتریسته ساکن از مواد آلی مانند اسیدهای چرب و آمین های قطبی استفاده می شود.ولی در بعضی موارد از پرکننده های هادی برق در مقادیر کم نیز برای ایجاد این ویژگی استفاده می شود. در طرف دیگر طیف، وقتی که پلیمر باید عایق خوبی باشد.بعضی از پرکننده ها با جذب رطوبت یا آزاد کردن یون می توانند اثرات مخربی بر ویژگی های عایقی پلیمر داشته باشند.برای جلوگیری از این مشکلات باید از پرکننده های بدون رطوبت و خالص استفاده کرد.مانند کائولن کلسینه شده و یا تالک .از آن جا که هدایت توده ای پرکننده ها خیلی کمتر از هدایت سطحی آنها است، پلیمرهای دارای پرکننده، جریان برق را بیشتر از سطح عبور می دهند. با افزودن پرکننده های مغناطیسی مانند ضریب باریم ،می توان ویژگی های آهنربایی در پلیمرها ایجاد کرد.
1.1.7 ویژگی های نوری
با آن که بیشتر پرکننده های معدنی بسیار سفید به نظر می رسند.ولی قدرت رنگ دهی آنها خیلی زیاد نیست زیرا ضریب شکست نور آنها خیلی با پلیمرها تفاوت ندارد.نتیجه آن که بسیاری از پلیمر های دارای پرکننده شفاف و نیمه شفاف هستند و بعضی از پرکننده ها مانند سولفات باریم و کربنات کلسیم کمی ویژگی رنگ دهی بهتری دارند.رنگ دهی و پوشش دهی یک پرکننده تابع مقدار آن در فرمول است به طور مثال پلی پروپلین دارای کمتر از 5 در صد وزنی تالک ؛عملاٌ شفاف است.
بعضی از پرکننده ها به ویژه آنها که ذرات ورقی شکل دارند،با ایجادفاصله بین رنگدانه ها می توانند قدرت رنگدهی و پوشش آنها را تقویت کنند. در پلاستیک های شفاف مانند پلی استایرن و PMMA افزودن پرکننده ها ظاهری ابری و شیری ایجاد می کند که در کاربردهای نور پردازی از آن استفاده می شود.
1.1.8 ویژگی های آکستیکی
سرو صدا یکی از عوامل اصلی آلودگی محیطی است و مواد پلیمری می توانند با جذب و میرا کردن این صدا به حذف آن کمک کنند. مواد عایق صدا می توانند با جذب انرژی صدا آن را به گرما تبدیل کنند. برای جذب بهتر صدا می توان از مواد لاستیکی، پرکننده های با چگالی زیاد و یا پرکننده های صفحه ای شکل استفاده کرد.اسفنجی کردن ماده نیز می تواند به این ویژگی کمک کند. افزودن بیش از حد پرکننده می تواند این ویژگی را تضعیف کند. از یک مقدار بیشتر تماس ذرات پرکننده با هم یاعث ایجاد پل بین ذرات پرکننده و انتقال بهتر صدا می گردد. میکا برای کاربردهای آکوستیک دو امتیاز دارد، اول این که ساختار صفحه ای آن باعث می شود تا انعکاس و شکست صدا بیشتر شود و در نتیجه جذب آن بهتر شود. دوم مدول الاستیسیته پایین آن در مقایسه با دیگر پرکننده ها باعث می شود تا انعطاف پذیری و در نتیجه جذب صدا بهتر شود.موثر ترین اندازه ذرات از نظر جذب صدا 150 تا 500 میکرون است.از پرکننده ها برای بهبود جذب صدا در پوشش زیر بدنه ی خودرو، کفی داخل خودرو و لوله کشی کم صدای داخل ساختمان استفاده می شود.
1.1.9 دوام
حضور پرکننده های معدنی می تواند پایداری قطعات پلیمری در برابر گرما و نور فرابنفش را بکاهد که شدت این اثر به مقدار پرکننده، اندازه ی ذرات آن و نا خالصی آن (آهن،مس) بستگی دارد.پرکننده هایی که سطح زیاد دارند می توانند با جذب پایدارکننده ها، عمر دراز مدت محصول در برابر گرما و نور را بکاهند، برای حل این مشکل می توان از پرکننده های پوشش دار و یا پایدارکننده های خاص استفاده کرد. یون فلزات سنگین مانند مس، کبالت، منگنز و آهن می تواند فرایند اکسیداسیون پلیمرها را تسریع کنند و در نتیجه باعث تخریب زود هنگام پلیمرها شوند.برای جلوگیری از این اثرات مخرب می توان از پایدارکننده هایی که فلزات را خنثا می کنند و یا پوشش های پلیمری بر روی پرکننده ها بهره برد.
1.1.10 گرانروی (ویسکوزیته)
پرکننده ها اثر شدیدی بر گرانروی آمیزه ی پلاستیک دارند و شدت این تاثیر به مقدار پرکننده، اندازه ی آن و توزیع آن و نسبت طول به قطر ذرات آن بستگی دارد.به طور کلی می توان گفت که با افزایش مقدار پرکننده گرانروی آمیزه پلاستیک زیاد می شود ولی این افزایش خطی نیست و رفتار آن در دماها و سرعت های برش مختلف تغییر می کند. پرکننده های صفحه ای تاثیر بیشتری بر افزایش گرانروی دارند. تلاش های زیادی برای محاسبه ی گرانروی پلیمرهای دارای پرکننده شده است ولی پیچدگی های ناشی از اندازه ذرات، چسبندگی پلیمر به پرکننده و حضور مواد افزودنی، باعث شده تا نتوان به دقت گرانروی یک آمیزه ی دارای پرکننده را از بیش تعیین کرد.برای پرکننده های ساده و مقادیر کم(زیر 20 در صد) فرمول انیشتین می توان یک نقطه شروع برای محاسبه ی گرانروی باشد.
2.1.11 طعم و بو
اضافه کردن پرکننده ها به پلاستیک ها می تواند باعتث ایجاد بوی نامطبوع در مواد شده، حتی اگر خود پرکننده هیچ بویی نداشته باشد.علت احتمالی این مشکل واکنش پرکننده باگروهای عامل بغضی از پلیمر ها، یا واکنش نا خالص های فلزی موجود در پرکننده با پلیمر یا افزودنی های دیگر باشد. راه مقابله با این مشکل استفاده از پرکننده های خالص تر و یا استفاده از افزودنی هایی (پایدار کننده ها) است که با پرکننده مورد نظر سازگار باشند به عنوان آخرین راه حل می توان از مواد معطر برای پوشاندن بو های نا مطبوع استفاده کرد.
2.1.12 تراوایی گاز
در بسته بندی ها و ظروف، تراوایی بسته بندی نسبت به گازها و مایعات اهمیت بسیار زیادی دارد، پرکننده ها می توانند تراوایی و سرعت نفوذ گازها را کم کنند.پر کننده هایی که ذرات آنها صفحه ای است مانند یک سد در برابر عبور گازها عمل می کنند.باید توجه کرد که اگر چسبندگی بین پلیمر و پرکننده مناسب نباشد، سطح تماس پرکننده و پلیمر خود به مجرایی برای عبور تبدیل می شود و در عمل تراوایی زیاد می شود. برای بعضی مصارف مانند فیلم های بهداشتی و بسته بندی های تراوا، می توان از پرکننده هایی با اندازه ی خاص برای افزایش کنترل شده ی تراوایی مثلاٌ به بخار آب استفاده کرد.
2.1.13 آتشگیری
پرکننده های معدنی آتشگیر نیستند. از آن جا که حجم کل ماده ی سوختنی با حضور پرکننده کم می شود،پس سرعت سوختن پلیمرها ی، دارای پرکننده کمتر است. علاوه بر این ویژگی، پرکننده های دیگری مانند تری هیدرات آلومنیوم (ATH)، هیدرو کسید منیزیم و ترکیبات بور و آنتیوان وجود دارند که به طور موثر سوختن پلیمر را به تاخیر می اندازد.این پرکننده ها بر اثر آتش تجزیه شده و علاوه بر جذب گرما و خنک کردن قطعه با آزاد کردن گاز، مانع رسیدن اکسیژن به شعله می گردند.علاوه بر این پرکننده ها با تشکیل یک توده ی خاکستری سخت در محل سوختن مانع از رسیدن گرما و اکسیژن به پلیمر و سوختن آن می شوند