Füllstoff (Materialien) – Wikipedia

Kunststoffverbrauch verwendet nach Feld

Füllstoff Materialien sind Partikel, die Harz oder Bindemitteln (Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Beton) zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern, das Produkt billiger zu machen, oder eine Mischung aus beiden.^[1] Die beiden größten Segmente für die Verwendung von Füllstoffen sind Elastomere und Kunststoffe.^[2] Weltweit werden jährlich mehr als 53 Millionen Tonnen Füllstoffe (mit einer Gesamtsumme von rund 18 Milliarden US-Dollar) in Anwendungsbereichen wie Papier, Kunststoff, Gummi, Farben, Beschichtungen, Klebstoffen und Dichtungsmassen eingesetzt. Als solche gehören Füllstoffe, die von mehr als 700 Unternehmen hergestellt werden, zu den weltweit wichtigsten Rohstoffen und sind in einer Vielzahl von Waren für den täglichen Verbraucherbedarf enthalten. Die oben verwendeten Füllstoffe sind gemahlenes Calciumcarbonat (GCC), gefälltes Calciumcarbonat (PCC), Kaolin, Talk und Ruß.^[3] Füllstoffe können die Zugfestigkeit, Zähigkeit, Wärmebeständigkeit, Farbe, Klarheit usw. beeinflussen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Zugabe von Talk zu Polypropylen.^[4] Die meisten in Kunststoffen verwendeten Füllstoffe sind Füllstoffe auf Mineral- oder Glasbasis.^[4] Partikel und Fasern sind die Hauptuntergruppen von Füllstoffen. Partikel sind kleine Füllstoffpartikel, die in die Matrix eingemischt werden, wobei Größe und Seitenverhältnis wichtig sind. Fasern sind kleine kreisförmige Stränge, die sehr lang sein können und sehr hohe Seitenverhältnisse haben.^[5]

Pulver Calciumcarbonat CaCO₃ weit verbreitet als Füllmaterial verwendet.

Calciumcarbonat (CaCO₃)[edit]

Calciumcarbonat wird in der Kunststoffindustrie als “Kreide” bezeichnet und wird aus Kalkstein und Marmor gewonnen. Es wird in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich PVCs und ungesättigten Polyestern. Bis zu 90% CaCO₃ kann verwendet werden, um einen Verbund herzustellen. Diese Zusätze können die Formproduktivität verbessern, indem sie die Abkühlrate verringern. Sie können auch die Betriebstemperaturen von Materialien erhöhen und die elektrische Verkabelung isolieren.^[6]

CaCO3 wird im Füllstoff-Masterbatch als Basis mit einem hohen Prozentsatz an Zusammensetzung verwendet. Calciumcarbonatpulver macht 97% der Zusammensetzung aus und bringt weißen / opaken Produkten mehr Weißheit. So können Hersteller die Verwendung von weißen Masterbatches reduzieren. Mit kleineren Prozentsätzen kann Calciumcarbonatpulver für Farbprodukte verwendet werden. Darüber hinaus bringt es für endgültige Kunststoffprodukte eine hellere und glänzendere Oberfläche.^[7]

Kaolin[edit]

Kaolin wird hauptsächlich in Kunststoffen wegen seiner Antiblockiereigenschaften sowie als Infrarotabsorber für die Laserbeschriftung verwendet.^[6] Es erhöht die Schlagfestigkeit und Wärmebeständigkeit. Metakolinit wird zur Stabilisierung von PVC verwendet.^[6] Es wurde auch gezeigt, dass Kaolin die Abriebfestigkeit erhöht und Ruß als Füllstoff ersetzen und die Fließeigenschaften glasfaserverstärkter Substanzen verbessern kann.^[6]

Magnesiumhydroxid (Talk)[edit]

Talk, ein weiches Mineral und im Allgemeinen teurer als Calciumcarbonat. Es wird aus Schichten von Magnesiumhydroxid mit Siliciumdioxid abgeleitet. In der Kunststoffindustrie wird es aufgrund seiner langfristigen thermischen Stabilität für Verpackungen und Lebensmittelanwendungen verwendet.^[6][5]

Wollastonit (CaSiO₃)[edit]

Wollastonit hat eine nadelförmige Struktur mit einem relativ hohen spezifischen Gewicht und einer hohen Härte. Dieser Füllstoff kann den Feuchtigkeitsgehalt, die Verschleißfestigkeit, die thermische Stabilität und die hohe Durchschlagfestigkeit verbessern. Wollastonit konkurriert mit plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer und Talk und kann auch als Ersatz für Glasfasern bei der Herstellung von Thermoplasten und Duroplasten verwendet werden.^[5]

Glas[edit]

Glasfüllmaterialien gibt es in verschiedenen Formen: Glasperlen, kurze Glasfasern, lange Glasfasern. in Kunststoffen nach Tonnage.^[5] Glasfasern werden verwendet, um die mechanischen Eigenschaften des Thermoplasten oder Duroplasten wie Biegemodul und Zugfestigkeit zu erhöhen. Die Zugabe von Glas als Füllmaterial bietet normalerweise keinen wirtschaftlichen Vorteil. Einige Nachteile von Glas in der Matrix sind eine geringe Oberflächenqualität, im geschmolzenen Zustand sehr viskos, eine geringe Schweißbarkeit und Verformung.^[5] Die Zugabe von Glasperlen hilft bei der Ölabsorption und der chemischen Beständigkeit.^[6]

Nanofüllstoffe[edit]

Nanofüllstoffe haben eine Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern. Sie haben ein hohes Seitenverhältnis und werden hauptsächlich als kratzfeste und feuerfeste Füllstoffe eingesetzt.^[4] Nanofüllstoffe können in drei Gruppen unterteilt werden: Nanoplatten, Nanofasern und Nanopartikel. Nanopartikel werden häufiger verwendet als Nanoplatten und Nanofasern, aber Nanoplatten werden zunehmend verwendet. Nanoplatten sind wie herkömmliche plättchenförmige Füllstoffe wie Talk und Glimmer, nur dass die Dicke viel geringer ist. Zu den Vorteilen der Zugabe von Nanofüllstoffen gehören die Schaffung einer Gassperre und ihre flammhemmenden Eigenschaften.^[5]

Polymerschaumperlen[edit]

Polymerschaumperlen können eine Schüttdichte von nur 0,011 g / cm³ aufweisen und eine Größe im Bereich von 45 Mikron bis über 8 mm aufweisen. Häufige Nachteile bei der Verwendung von Polymerschaumperlen in formulierten Systemen sind Einschränkungen der statischen, Temperatur- und chemischen Beständigkeit sowie Schwierigkeiten beim Erreichen einer homogenen Mischung innerhalb eines formulierten Systems aufgrund ihrer extrem geringen Schüttdichte. Diese Einschränkungen können jedoch meistens, wenn nicht vollständig durch die Verwendung von Formulierungsmodifikationen, Additiven und anderen Oberflächenbehandlungen überwunden werden. Trotz dieser potenziellen Herausforderungen können formulierte Systeme mit Polymerschaumperlen versehen werden, wenn Gewichts- oder Kosteneinsparungen bei einem fertigen Produkt erforderlich sind.

Mauerwerksfüller[edit]

Mauerwerksfüller werden zur Reparatur von Rissen und Löchern in Außenwänden verwendet und normalerweise aus Zement und Kalkhydrat hergestellt. Zu den Herstellern gehört Toupret.^[8]

Andere Füllstoffe[edit]

Betonfüllmaterialien umfassen Kies, Stein, Sand und Bewehrung. Kies, Stein und Sand werden verwendet, um die Betonkosten zu senken. Bewehrungsstäbe dienen zur Verstärkung des Betons.^[9]

Mechanische Eigenschaften[edit]

Zerreißfestigkeit[edit]

Die Zugfestigkeit ist die am häufigsten verwendete Methode zur Bewertung von Füllstoffen. Die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs kann unter Verwendung der Gleichung berechnet werden

σ_c= σ_p(1-aΦ^b_f + cΦ_f^d)^[11]

wo

σ_c = Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs

σ_p = Zugfestigkeit der Polymermatrix

Φ_f = Volumenanteil des Füllstoffs

a, b, c, d sind Konstanten in Abhängigkeit von der Art des Füllstoffs. “a” bezieht sich auf die Spannungskonzentration und basiert auf den Haftungseigenschaften des Füllmaterials. “b” ist normalerweise 0,67. c und d sind Konstanten, die umgekehrt zur Partikelgröße in Beziehung stehen.^[11]

Elastizitätsmodul[edit]

Der Elastizitätsmodul (Elastizitätsmodul) eines gefüllten Polymers kann unter Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt werden:

E = E.₀ (1 + 2,5Φ + 14,1Φ²)^[11]

wo:

E.₀ = Modul des ungefüllten Harzes oder Bindemittels

Φ = Füllstoffkonzentration

Polymere mit kleineren Füllstoffzusätzen folgen dieser Gleichung genau. Im Allgemeinen erhöht die Zugabe von Füllstoffen den Modul. Die Zugabe von Calciumcarbonat und Talk erhöht den Elastizitätsmodul, während die Zugabe von elastischen Füllstoffen den Wert geringfügig verringern kann. Füllstoffe erhöhen den Modul aufgrund der geriffelten Partikel und der guten Haftung.^[11]

Schlagfestigkeit (Zähigkeit)[edit]

Im Allgemeinen erhöhen Füllstoffe die Schlagfestigkeit. Die Faktoren, die die Schlagfestigkeit verbessern, sind Partikelgröße, Partikelform und Partikelsteifigkeit. Fasern verbessern die Schlagzähigkeit aufgrund ihres großen Seitenverhältnisses am meisten. Füllstoffe mit geringer Härte verringern die Schlagfestigkeit. Die Partikelgröße innerhalb eines bestimmten Bereichs kann die Schlagfestigkeit basierend auf dem Füllmaterial erhöhen.^[11]

Verschleißfestigkeit[edit]

Das Verschleißvolumen (W._s) für Kunststoffe kann berechnet werden:

W._s = KμPDW / (EI_s)^[11]

wo:

K = Proportionalitätskonstante

P = Kraft

E = Modul

D = Gleitweg

W = Last

ich_s= Interlaminare Scherfestigkeit

Matrix und Füllstoff tragen beide zur Verschleißfestigkeit bei. Im Allgemeinen wird ein Füllstoff ausgewählt, um den Reibungskoeffizienten des Materials zu verringern. Partikelgröße und -form tragen dazu bei. Kleinere Partikelgrößen erhöhen die Verschleißfestigkeit, da sie weniger Schmutz verursachen. Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Molybdändisulfid und Graphitpulver sind übliche Füllstoffe, die die Verschleißfestigkeit verbessern.^[11]

Ermüdungsbeständigkeit[edit]

Der Füllstoff kann sich je nach Füllstofftyp und -form negativ oder positiv auf die Ermüdungsbeständigkeit auswirken. Im Allgemeinen erzeugen Füllstoffe kleine Diskontinuitäten in der Matrix. Dies kann zum Rissinitiationspunkt beitragen. Wenn der Füllstoff spröde ist, ist die Ermüdungsbeständigkeit gering, während der Verbundstoff ermüdungsbeständig ist, wenn der Füllstoff sehr duktil ist. Die Haftung ist auch ein wichtiger Faktor, der die Ermüdungsbeständigkeit beeinflusst. Wenn die Spannung höher ist als die Partikelhaftung, bildet sich ein Riss. Faserenden sind Bereiche, in denen aufgrund der hohen Belastung der Faserenden mit geringerer Haftung am häufigsten Risse auftreten. Talk ist ein Füllstoff, mit dem die Ermüdungsbeständigkeit erhöht werden kann.^[11]

Thermische Verformung[edit]

Füllstoffe haben einen großen Einfluss auf die thermische Verformung in kristallinen Polymeren. Amorphe Polymere werden durch Füllmaterial vernachlässigbar beeinflusst. Glasfaserzusätze werden am häufigsten verwendet, um die meiste Wärme abzulenken. Es hat sich gezeigt, dass Kohlenstofffasern in einigen Grundmaterialien besser abschneiden als Glas. Im Allgemeinen lenken Fasermaterialien Wärme besser ab als Partikelfüllstoffe.^[11]

Schleich[edit]

Die Kriechbeständigkeit wird durch Füllstoffe stark beeinträchtigt. Die folgende Gleichung zeigt die Kriechdehnung eines gefüllten Materials:^[11]

ε_c

ε_c

ε_m

E._m = ist der Youngsche Matrixmodul

E._c = ist der Elastizitätsmodul des gefüllten Polymers

Je besser sich der Füllstoff mit der Matrix verbindet, desto besser ist die Kriechfestigkeit. Viele Interaktionen werden sich positiv auswirken. Es wurde gezeigt, dass sowohl Glasperlen als auch Fasern die Kriechfestigkeit in einigen Materialien verbessern. Aluminiumoxid wirkt sich auch positiv auf die Kriechfestigkeit aus. Die Wasseraufnahme verringert die Kriechfestigkeit eines gefüllten Materials.^[11]

Schweißbarkeit von Kunststofffüllstoffen[edit]

Zusätze von Füllstoffen können die Schweißbarkeit des Kunststoffs drastisch beeinflussen. Dies hängt auch von der Art des verwendeten Schweißprozesses ab. Beim Ultraschallschweißen können Füllstoffe wie Calciumcarbonat und Kaolin die Fähigkeit des Harzes verbessern, Ultraschallwellen zu übertragen.^[12] Beim elektromagnetischen Schweißen und beim Heizplattenschweißen reduzieren Zusätze von Talk und Glas die Schweißfestigkeit um bis zu 32%.^[13] Die Festigkeit des Kunststoffs nach dem Schweißen würde mit zunehmender Menge an Füllstoffen in der Matrix im Vergleich zum Schüttgut abnehmen.^[14] Die Verwendung von Schleiffüllern kann sich auf das zum Schweißen verwendete Werkzeug auswirken. Schleifmittel füllen die Schweißwerkzeuge schneller ab, z. B. die Oberfläche des Ultraschallhorns in Kontakt mit dem Kunststoff. Der beste Weg, um die Schweißbarkeit eines Füllmaterials zu testen, besteht darin, die Schweißfestigkeit mit der Harzfestigkeit zu vergleichen.^[15] Dies kann schwierig sein, da viele Füllstoffe unterschiedliche Mengen an Additiven enthalten, die das mechanische Verhalten verändern.^[15]

Anwendungen von Füllstoffen in der Kunststoffindustrie[edit]

Füllstoffe werden häufig im Produktionsprozess von Kunststoffprodukten eingesetzt. Der Füllstoff wird verwendet, um die Eigenschaften des Originalkunststoffs zu ändern. Durch die Verwendung von Kunststofffüllstoffen können Hersteller sowohl Produktionskosten als auch Rohstoffe einsparen.

Unbestreitbar die Bedeutung von Füllstoff-Masterbatch für die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen, insbesondere die Minimierung von Kosten und Produktionseffizienz. Mit dem Vorteil von Preis und Stabilität unterstützt Kunststofffüller die Herstellung von:

• Blasformen
• Blasfolie & Laminierung
• Extrusion (Rohr, Blech)
• Spritzguss
• Vlies
• Bast
• Tiefziehen

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

1. ^ Pelzl, Bernhard; Wolf, Rainer; Kaul, Bansi Lal (2018). “Kunststoffe, Additive”. Ullmanns Enzyklopädie der Industriechemie. Weinheim: Wiley-VCH. S. 1–57. doi:10.1002 / 14356007.a20_459.pub2.
2. ^ “Füllstoffmarktbericht: Globale Branchenanalyse, 2024”. www.ceresana.com. Abgerufen 2019-02-14.
3. ^ “Marktstudie: Füllstoffe (3. Auflage)”. Ceresana. Januar 2014. Abgerufen 7. September 2015.
4. ^ ^{ein b c} Shrivastava, Anshuman (15.05.2018). Einführung in die Kunststofftechnik. William Andrew. ISBN 9780323396196.
5. ^ ^{ein b c d e f} Gilbert, Marianne (27.09.2016). Brydsons Kunststoffmaterialien. William Andrew. ISBN 9780323370226.
6. ^ ^{ein b c d e f} Murphy, John (2001), “Ändern spezifischer Eigenschaften: Mechanische Eigenschaften – Füllstoffe”, Additive für Kunststoffe HandbuchElsevier, S. 19–35, doi:10.1016 / b978-185617370-4 / 50006-3, ISBN 9781856173704abgerufen 2019-02-14
7. ^ European Plastic, Company (5. Juni 2019). “Über Calciumcarbonat im Füllstoff-Masterbatch”.
8. ^ Buildbase https://www.buildbase.co.uk/link/1/3434147_31669_t.pdf
9. ^ “In Beton verwendete Füllstoffe”. www.engineeringcivil.com. Abgerufen 2019-04-03.
10. ^ “Funktionelle Füllstoffe und Spezialmineralien für Kunststoffe”. Phantomplastik. Abgerufen 2019-02-20.
11. ^ ^{ein b c d e f G h ich j k} Wypych, George. (2016). Handbuch der Füllstoffe (4. Auflage) – 8. Die Wirkung von Füllstoffen auf die mechanischen Eigenschaften von gefüllten Materialien. ChemTec Publishing. Abgerufen von https://app.knovel.com/hotlink/pdf/id:kt00CQMQQ7/handbook-fillers-4th/effect-fillers-mechanical
12. ^ Malloy, Robert A. (07.10.2010). “Kunststoffteilkonstruktion für Spritzguss”. Kunststoffteilkonstruktion für Spritzguss: Eine Einführung. Kunststoffteilkonstruktion für Spritzguss. S. I – XIV. doi:10.3139 / 9783446433748.fm. ISBN 978-3-446-40468-7.
13. ^ Stewart, Richard (März 2007). “ANTEC ™ 2007 & Plastics Encounter @ ANTEC”. Kunststofftechnik. 63 (3): 24–38. doi:10.1002 / j.1941-9635.2007.tb00070.x. ISSN 0091-9578.
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15. ^ ^{ein b} PDL Staff (1997), “Vibrationsschweißen”, Handbuch der KunststoffverbindungElsevier, S. 15–27, doi:10.1016 / b978-188420717-4.50005-1, ISBN 9781884207174abgerufen 2019-02-15