充填剤はに広く使用されています。 不飽和ポリエステル樹脂 、加工挙動を制御し、製品性能を変更し、材料コストを削減するために、一般的な充填剤には、炭酸カルシウム、シリカ、石英、アルミナ三水和物、タルク、粘土、ガラス微小球などがあります。
ただし、充填剤を追加しても常により良い配合が得られるわけではありません。量が多すぎると、樹脂の混合が困難になり、流れが減少し、空気が閉じ込められ、ガラス繊維の浸潤が妨げられ、最終製品が弱くなる可能性があります。
正しい充填システムは、粘度、機械的性能、総生産コストという 3 つの重要な要素のバランスをとらなければなりません。この記事では、フィラーがこれらの各特性にどのような影響を与えるか、およびメーカーが適切なフィラー配合量を決定する方法について説明します。
不飽和ポリエステル樹脂のフィラーとは何ですか?
フィラーは、注型または成形の前に液体樹脂に分散された固体粒子です。選択した材料に応じて、次の用途に使用できます。
樹脂消費量の削減
粘度を上げる
剛性または硬度を改善する
硬化収縮の制御
寸法安定性の向上
密度を変更する
難燃性能をサポート
表面の外観を改善する
充填剤を強化繊維と混同しないでください。ガラス繊維は主に構造的負荷を担いますが、鉱物フィラーは通常、加工、コスト、寸法安定性、または選択された物理的特性を変更します。
SMC および BMC 用途では、完成した成形コンパウンドには、不飽和ポリエステル樹脂、充填剤、ガラス繊維、顔料、開始剤、離型剤、増粘剤、およびその他の添加剤が含まれる場合があります。
一般的な充填剤とその効果
| 充填剤の |
粘度への影響 |
性能への考えられる影響 |
コストの考慮事項 |
| 炭酸カルシウム |
ロードすると増加します |
硬度と寸法制御の向上が可能 |
樹脂消費量を削減するために一般的に使用されます |
| シリカまたは石英 |
大幅に増加する可能性があります |
硬度と圧縮特性を向上させることができます |
粒子サイズと純度によって異なります |
| アルミナ三水和物 |
通常は粘度が上昇します |
難燃性能にも対応可能 |
機能的価値によりコストが高くても正当化される可能性がある |
| タルク |
流れとレオロジーを変更します |
剛性と安定性が向上する可能性があります |
比較的経済的なことが多い |
| 中空微小球 |
粘度を上げることができる |
密度は低下しますが、一部の強度が低下する可能性があります |
価格の上昇は重量削減によって相殺される可能性がある |
表に示した効果は一般的な傾向です。実際の結果は、粒子サイズ、形状、表面積、充填レベル、分散、樹脂との相溶性によって異なります。
フィラーが粘度に与える影響
粘度は通常、不飽和ポリエステル樹脂にフィラーを添加した後に最初に変化する特性です。
固体粒子は液体樹脂の動きを制限します。フィラーの配合量が増加すると、粒子がより接近してより強く相互作用し、配合物の粘度が増加します。
この関係は必ずしも直線的ではありません。フィラーレベルが低い場合にわずかに増加しても、中程度の変化しか生じない可能性があります。高負荷レベルで同じ増加を行うと、粘度が急激に上昇する可能性があります。
過度の粘度は次の原因となる可能性があります。
混合とポンピングが難しい
金型充填が不完全
補強材の濡れが不十分
空気の巻き込み
不均一なフィラー分布
処理時間が長くなる
表面欠陥
高粘度は必ずしも望ましくないわけではありません。フィラーの沈降を防ぎ、垂直面のたるみを軽減します。適切な粘度は製造プロセスによって異なります。
粒子サイズ
微粒子は、同じ重量の粗粒子よりも総表面積が大きくなります。その表面を濡らすにはより多くの樹脂が必要となるため、微細なフィラーは粘度をより強く増加させることがよくあります。
微細粒子と粗粒子の組み合わせを制御すると、充填効率が向上する可能性があります。小さな粒子は大きな粒子の間の空間を占めるため、場合によっては配合物を過度に厚くすることなく、より多くの充填剤を添加できるようになります。
粒子の形状
一般に、丸い粒子は、角張った、フレーク状、または針状の粒子よりも容易に流れます。不規則な粒子は抵抗を増大させ、粘度を大幅に増加させる可能性があります。
粒子の形状も剛性、表面品質、耐摩耗性に影響を与える可能性があります。したがって、メーカーは加工と最終的なパフォーマンスの両方を評価する必要があります。
温度と混合
不飽和ポリエステル樹脂は通常、温度が上昇すると粘度が低くなります。したがって、同じ充填製剤でも夏と冬では流れが異なる場合があります。
混合条件も重要です。混合が不十分だと凝集物が残る可能性があり、一方、過度に激しく混合すると空気が入り込み、材料の温度が上昇する可能性があります。ミキサーの速度、羽根の設計、混合時間、添加順序などを標準化する必要があります。
Huake の公式 HS-2250 製品画像には、樹脂、パッケージング、およびポリエステル コンクリートの適用例が示されています。
フィラーが強度に与える影響
強度に対するフィラーの影響は、粘度に対する影響よりも複雑です。充填剤は、ある特性を向上させる一方で、別の特性を低下させる可能性があります。
剛性と硬度
硬い鉱物粒子は、硬化したポリマーマトリックスの変形を制限することができます。したがって、適切に選択された充填剤は、剛性、表面硬度、圧縮挙動、または耐摩耗性を向上させることができます。
ただし、剛性と強度は同じではありません。配合物はますます硬くなり、同時により脆くなることがあります。
引張特性と曲げ特性
樹脂はフィラー表面に濡れて接着する必要があります。良好な分散と適切な樹脂とフィラーの界面により、材料を介して応力が伝達されます。
互換性が低いと、亀裂が始まる弱い境界が生じる可能性があります。凝集したフィラー粒子と閉じ込められた空気も応力集中点として機能します。
過剰な負荷では、粒子と補強材を効果的に結合するのに十分な樹脂が存在しない可能性があります。その結果、引張強度、伸び、耐衝撃性、曲げ強度が低下する場合があります。
鉱物フィラーは、構造用 FRP 製品のガラス繊維強化材の代替品として扱われるべきではありません。
耐衝撃性
硬質フィラーを多量に使用すると、伸びが低下し、脆さが増大することがよくあります。これにより、コンポーネントが衝撃、振動、または繰り返しの負荷に対してより脆弱になる可能性があります。
製品に衝撃や疲労が生じる場合、メーカーはそのままの樹脂データのみに依存するのではなく、完全に硬化した配合物に対して関連するテストを実施する必要があります。
収縮と寸法安定性
鉱物フィラーは、樹脂マトリックスと同じように硬化したり収縮したりしません。反応性樹脂の一部を安定した固体材料に置き換えると、全体の硬化収縮を軽減できます。
これは、ポリエステルコンクリート、鋳造製品、SMC/BMC コンポーネント、工具用途に役立ちます。収縮率が低いと、寸法精度が向上し、反りや目に見える補強パターンが減少します。
それにもかかわらず、フィラーは収縮制御の一部にすぎません。樹脂の化学的性質、硬化速度、金型温度、部品の厚さ、薄型添加剤も結果に影響を与える可能性があります。
フィラーがコストに与える影響
炭酸カルシウムなどの塩基性無機充填剤は、多くの場合、不飽和ポリエステル樹脂よりもキログラムあたりのコストが低くなります。したがって、樹脂の一部をフィラーに置き換えることで、直接的な材料コストを削減できます。
このアプローチは、鋳造製品、人造石、ポリエステルコンクリート、および成形材料で一般的です。
たとえば、Huake は次のように説明しています。 HS-2250 不飽和ポリエステル樹脂は、 ポリエステルコンクリート用に設計された低粘度樹脂であり、高充填量をサポートすることを目的とした充填剤湿潤特性を備えています。
ただし、キログラム当たりの最も安価な配合では、最も低コストの完成部品が製造されるとは限りません。
フィラーの多量充填による隠れたコスト
フィラーが過剰に使用されると、次のことが増加する可能性があります。
混合時間
エネルギー消費量
装備の摩耗
金型充填時間
空気除去要件
表面仕上げ
スクラップと再加工
硬質鉱物フィラーは、ポンプ、ミキサー、スクリュー、金型、切断装置の摩耗を増加させる可能性があります。また、高密度のフィラーは完成したコンポーネントの重量を増加させ、輸送や設置のコストを上昇させる可能性があります。
したがって、正しい計算には、樹脂と充填剤の価格だけでなく、許容される製品ごとの総コストも含める必要があります。
機能性フィラー
一部のフィラーは、コスト削減ではなく主に性能を目的として選択されます。
アルミナ三水和物は、適切に設計された難燃剤システムに組み込むことができます。中空の微小球は製品の密度を低下させる可能性があります。特殊なフィラーも、熱挙動、表面仕上げ、または電気特性の改善をサポートする可能性があります。
これらの充填剤は一般的な鉱物よりも高価になる可能性がありますが、機能的な利点により、最終製品が重要な性能要件を満たすのに役立つ可能性があります。
Huake の公式 BMC イメージには、成形材料、工業用パッケージ、および代表的な成形コンポーネントが示されています。
フィラーの充填はプロセスに一致する必要がある
製造プロセスが異なれば、必要な粘度や流動特性も異なります。
ポリエステルコンクリートまたは鋳造配合物には、比較的多量の鉱物充填剤が含まれる場合があります。ハンドレイアップ樹脂は、ガラス繊維補強材を適切に濡らすのに十分な流動性を保たなければなりません。
SMC および BMC システムには、慎重に制御されたレオロジーが必要です。成形中、材料は熱と圧力の下で流動し、複雑な金型の形状を充填し、補強材を運び、硬化後に正常に離型する必要があります。
フアケさん バルク成形コンパウンド は、樹脂、鉱物充填剤、ガラス繊維、開始剤、離型剤、増粘剤、加工助剤を含むコンパウンドとして説明されています。したがって、その性能は配合全体のバランスに依存します。
充填樹脂配合を最適化する方法
1. 必要な性能を定義する
目標の粘度、強度、剛性、耐衝撃性、収縮、密度、表面品質、耐環境性を決定します。
2. 適切な樹脂を選択する
目的のプロセスとフィラー配合量に合わせて設計された不飽和ポリエステル樹脂を選択してください。初期粘度が低いとフィラー含有量が高くなりますが、硬化と機械的性能も考慮する必要があります。
3. フィラーの品質を管理する
粒子の大きさ、形状、含水率、純度、色、表面処理を確認します。充填剤バッチ間の変動により、粘度や成形挙動が変化する可能性があります。
4. いくつかの負荷レベルをテストする
異なるフィラー含有量を含む管理されたバッチを準備します。粘度、ゲル化時間、硬化品質、収縮、および製品に関連する機械的特性を測定します。
5. 本番環境のトライアルを実施する
臨床検査では工場のすべての状態を再現することはできません。トライアルでは、実際のミキサー、補強材、金型、温度、生産サイクルを使用する必要があります。
6. 総コストの計算
材料消費、労働力、エネルギー、機器の磨耗、サイクルタイム、輸送、不良品、仕上げが含まれます。信頼性の高い最低の総コストで必要な性能を提供する配合を選択してください。
避けるべきよくある間違い
メーカーは次のことを避けるべきです。
すべての材料は、安全データシートに従って取り扱う必要があります。適切な換気、保護具、防塵手順が必要です。
結論
充填剤は、不飽和ポリエステル樹脂の粘度、強度、コストに大きな影響を与える可能性があります。
通常、フィラー含有量を増やすと粘度が上昇し、樹脂の消費量が減少します。適切な充填剤は、剛性、硬度、寸法安定性、または機能的性能を改善する可能性があります。フィラーの分散が過剰または不十分であると、流動性が低下し、空気が閉じ込められ、樹脂とフィラーの界面が弱くなり、最終製品が脆くなる可能性があります。
最良の配合物は、最も多くの充填剤を含有する配合物ではありません。これは、必要な特性を達成し、一貫して処理し、許容可能な最終製品ごとに最低の総コストを実現するものです。
メーカーは、樹脂、充填剤、補強材、硬化システム、および製造条件を 1 つの完全なシステムとして評価する必要があります。臨床検査とそれに続く本格的な試験は、適切なフィラーレベルを決定するための最も信頼できる基礎を提供します。
