Vulstoffen worden veel gebruikt in onverzadigde polyesterhars om het verwerkingsgedrag te controleren, de productprestaties te wijzigen en de materiaalkosten te verlagen. Veel voorkomende vulstoffen zijn onder meer calciumcarbonaat, silica, kwarts, aluminiumoxidetrihydraat, talk, klei en glazen microbolletjes.
Het toevoegen van meer vulmiddel levert echter niet altijd een betere formulering op. Een overmatige hoeveelheid kan ervoor zorgen dat de hars moeilijk te mengen is, de vloei vermindert, lucht vasthoudt, de bevochtiging van glasvezel verstoort en het eindproduct verzwakt.
Het juiste vulsysteem moet drie belangrijke factoren in evenwicht brengen: viscositeit, mechanische prestaties en totale productiekosten. In dit artikel wordt uitgelegd hoe vulstoffen elk van deze eigenschappen beïnvloeden en hoe fabrikanten een geschikte vulstofbelading kunnen bepalen.
Wat zijn vulstoffen in onverzadigde polyesterhars?
Vulstoffen zijn vaste deeltjes die vóór het gieten of vormen in vloeibare hars worden gedispergeerd. Afhankelijk van het geselecteerde materiaal kunnen ze worden gebruikt om:
Verminder het harsverbruik
Verhoog de viscositeit
Verbeter de stijfheid of hardheid
Controle uithardingskrimp
Verbeter de dimensionale stabiliteit
Wijzig de dichtheid
Ondersteuning van vlamvertragende prestaties
Verbeter het uiterlijk van het oppervlak
Vulstoffen mogen niet worden verward met versterkende vezels. Glasvezels dragen voornamelijk structurele belastingen, terwijl minerale vulstoffen gewoonlijk de verwerking, kosten, maatvastheid of geselecteerde fysieke eigenschappen wijzigen.
Bij SMC- en BMC-toepassingen kan een compleet vormmassa onverzadigde polyesterhars, vulstoffen, glasvezels, pigmenten, initiatoren, losmiddelen, verdikkingsmiddelen en andere additieven bevatten.
Veel voorkomende vulstoffen en hun effecten
| Vulmiddeleffect |
op viscositeit |
Mogelijk effect op prestatie |
Kostenoverweging |
| Calciumcarbonaat |
Verhoogt met laden |
Kan de hardheid en dimensionale controle verbeteren |
Vaak gebruikt om het harsverbruik te verminderen |
| Silica of kwarts |
Kan aanzienlijk toenemen |
Kan de hardheid en drukeigenschappen verbeteren |
Afhankelijk van de deeltjesgrootte en zuiverheid |
| Aluminiumoxidetrihydraat |
Meestal verhoogt de viscositeit |
Kan vlamvertragende prestaties ondersteunen |
Functionele waarde kan hogere kosten rechtvaardigen |
| Talk |
Wijzigt stroming en reologie |
Kan de stijfheid en stabiliteit verbeteren |
Vaak relatief zuinig |
| Holle microbolletjes |
Kan de viscositeit verhogen |
Verminder de dichtheid, maar kan sommige sterke punten verminderen |
Een hogere prijs kan worden gecompenseerd door gewichtsbesparing |
De in de tabel weergegeven effecten zijn algemene tendensen. De werkelijke resultaten zijn afhankelijk van de deeltjesgrootte, vorm, oppervlakte, beladingsniveau, dispersie en compatibiliteit met de hars.
Hoe vulstoffen de viscositeit beïnvloeden
Viscositeit is meestal de eerste eigenschap die verandert nadat vulstof aan onverzadigde polyesterhars is toegevoegd.
Vaste deeltjes beperken de beweging van de vloeibare hars. Naarmate de vulstoflading toeneemt, komen de deeltjes dichter bij elkaar en werken ze sterker samen, waardoor de formulering dikker wordt.
De relatie is niet altijd lineair. Een kleine verhoging bij een laag vulniveau kan slechts een bescheiden verandering teweegbrengen. Dezelfde toename bij een hoog beladingsniveau kan ervoor zorgen dat de viscositeit sterk stijgt.
Overmatige viscositeit kan leiden tot:
Moeilijk mengen en pompen
Onvolledige vormvulling
Slechte versteviging door natheid
Luchtinsluiting
Ongelijkmatige verdeling van het vulmiddel
Langere verwerkingstijd
Oppervlaktedefecten
Hoge viscositeit is niet altijd ongewenst. Het kan helpen voorkomen dat vulstoffen bezinken en verzakking op verticale oppervlakken verminderen. De juiste viscositeit is afhankelijk van het productieproces.
Deeltjesgrootte
Fijne deeltjes hebben een groter totaaloppervlak dan grove deeltjes met hetzelfde gewicht. Er is meer hars nodig om dat oppervlak te bevochtigen, dus fijne vulstoffen verhogen de viscositeit vaak sterker.
Een gecontroleerde combinatie van fijne en grove deeltjes kan de verpakkingsefficiëntie verbeteren. De kleinere deeltjes nemen ruimtes tussen de grotere deeltjes in beslag, waardoor soms meer vulmiddel kan worden toegevoegd zonder dat de formulering overmatig dik wordt.
Deeltjesvorm
Afgeronde deeltjes vloeien over het algemeen gemakkelijker dan hoekige, schilferige of naaldvormige deeltjes. Onregelmatige deeltjes zorgen voor meer weerstand en kunnen de viscositeit aanzienlijk verhogen.
De deeltjesvorm kan ook de stijfheid, oppervlaktekwaliteit en slijtvastheid beïnvloeden. Fabrikanten moeten daarom zowel de verwerking als de uiteindelijke prestaties evalueren.
Temperatuur en mengen
Onverzadigde polyesterhars wordt gewoonlijk minder stroperig naarmate de temperatuur stijgt. Dezelfde gevulde formulering kan daarom in de zomer en in de winter anders vloeien.
Mengomstandigheden zijn ook van belang. Bij onvoldoende menging kunnen agglomeraten achterblijven, terwijl te agressief mengen lucht kan introduceren en de materiaaltemperatuur kan verhogen. De mengsnelheid, het bladontwerp, de mengtijd en de volgorde van toevoeging moeten worden gestandaardiseerd.
Huake's officiële HS-2250-productafbeelding toont de hars, de verpakking en een polyesterbetontoepassing.
Hoe fillers de sterkte beïnvloeden
Het effect van vulmiddel op de sterkte is ingewikkelder dan het effect op de viscositeit. Een vulmiddel kan de ene eigenschap verbeteren en een andere eigenschap verminderen.
Stijfheid en hardheid
Stijve minerale deeltjes kunnen de vervorming van de uitgeharde polymeermatrix beperken. Goed geselecteerde vulstoffen kunnen daarom de stijfheid, oppervlaktehardheid, het drukgedrag of de slijtvastheid verbeteren.
Stijfheid en sterkte zijn echter niet hetzelfde. Een formulering kan harder en stijver worden en tegelijkertijd brosser.
Trek- en buigeigenschappen
De hars moet bevochtigen en zich hechten aan het plamuuroppervlak. Een goede dispersie en een geschikt hars-vulmiddelgrensvlak helpen spanningen door het materiaal over te dragen.
Slechte compatibiliteit kan zwakke grenzen creëren waar scheuren beginnen. Geagglomereerde vulstofdeeltjes en ingesloten lucht fungeren ook als spanningsconcentratiepunten.
Bij overmatige belasting is er mogelijk niet voldoende hars om de deeltjes effectief te binden en te versterken. Als gevolg hiervan kunnen de treksterkte, rek, slagvastheid of buigsterkte afnemen.
Minerale vulstoffen mogen niet worden behandeld als vervanging voor glasvezelversterking in structurele FRP-producten.
Slagvastheid
Grote hoeveelheden stijf vulmiddel verminderen vaak de rek en verhogen de broosheid. Dit kan een onderdeel kwetsbaarder maken voor schokken, trillingen of herhaalde belasting.
Als het product schokken of vermoeidheid ervaart, moeten fabrikanten relevante tests uitvoeren op de volledig uitgeharde formulering in plaats van alleen te vertrouwen op gegevens over pure hars.
Krimp en maatvastheid
Minerale vulstoffen harden en krimpen niet op dezelfde manier uit als de harsmatrix. Het vervangen van een deel van de reactieve hars door stabiel vast materiaal kan de totale uithardingskrimp verminderen.
Dit is handig in polyesterbeton, gegoten producten, SMC/BMC-componenten en gereedschapstoepassingen. Een lagere krimp kan de maatnauwkeurigheid verbeteren en kromtrekken of zichtbare versterkingspatronen verminderen.
Niettemin is vulmiddel slechts een onderdeel van de krimpbeheersing. Harschemie, uithardingssnelheid, matrijstemperatuur, onderdeeldikte en additieven met een laag profiel kunnen ook het resultaat beïnvloeden.
Hoe vulstoffen de kosten beïnvloeden
Basische minerale vulstoffen, zoals calciumcarbonaat, kosten vaak minder per kilogram dan onverzadigde polyesterhars. Het vervangen van een deel van de hars door vulmiddel kan daarom de directe materiaalkosten verlagen.
Deze aanpak is gebruikelijk bij gietproducten, kunststeen, polyesterbeton en vormmassa's.
Huake beschrijft het bijvoorbeeld HS-2250 Onverzadigde polyesterhars als hars met lage viscositeit, ontworpen voor polyesterbeton, met vulbevochtigende eigenschappen bedoeld om een hoge vulstofbelasting te ondersteunen.
De goedkoopste formulering per kilogram levert echter mogelijk niet het goedkoopste eindproduct op.
Verborgen kosten bij het laden van hoge vulstoffen
Overmatig vulmiddel kan het volgende vergroten:
Harde minerale vulstoffen kunnen de slijtage van pompen, mixers, schroeven, mallen en snijapparatuur vergroten. Dichte vulstoffen kunnen ook het gewicht van het voltooide onderdeel verhogen en de transport- of installatiekosten verhogen.
De juiste berekening moet daarom de totale kosten per acceptabel product omvatten, en niet alleen de prijzen van de hars en het vulmiddel.
Functionele vulstoffen
Sommige vulstoffen worden voornamelijk geselecteerd op prestatie en niet op kostenreductie.
Aluminiumoxidetrihydraat kan worden opgenomen in een goed ontworpen vlamvertragend systeem. Holle microbolletjes kunnen de productdichtheid verminderen. Gespecialiseerde vulstoffen kunnen ook een verbeterd thermisch gedrag, een betere oppervlakteafwerking of elektrische eigenschappen ondersteunen.
Deze vulstoffen kunnen duurder zijn dan gewone mineralen, maar hun functionele voordelen kunnen ervoor zorgen dat het eindproduct aan belangrijke prestatie-eisen voldoet.
Huake's officiële BMC-afbeelding toont vormmassa, industriële verpakkingen en representatieve gegoten componenten.
Het laden van fillers moet bij het proces passen
Verschillende productieprocessen vereisen verschillende viscositeits- en vloei-eigenschappen.
Een polyesterbeton- of gietformulering kan een relatief grote hoeveelheid minerale vulstof bevatten. Een handopleghars moet voldoende vloeibaar blijven om glasvezelversterking goed te bevochtigen.
SMC- en BMC-systemen vereisen zorgvuldig gecontroleerde reologie. Tijdens het vormen moet het materiaal onder hitte en druk vloeien, complexe vormkenmerken opvullen, versterking dragen en na uitharding met succes loslaten.
Huakes Bulk Molding Compound wordt omschreven als een compound dat hars, minerale vulstoffen, glasvezels, initiatoren, lossingsmiddelen, verdikkingsmiddelen en verwerkingshulpmiddelen bevat. De prestaties zijn daarom afhankelijk van de balans van de volledige formulering.
Hoe u een gevulde harsformulering kunt optimaliseren
1. Definieer de vereiste prestaties
Bepaal de doelviscositeit, sterkte, stijfheid, slagvastheid, krimp, dichtheid, oppervlaktekwaliteit en omgevingsweerstand.
2. Selecteer de juiste hars
Kies een onverzadigde polyesterhars die is ontworpen voor het beoogde proces en het laden van vulmiddel. Een lage initiële viscositeit kan een hoger vulstofgehalte ondersteunen, maar er moet ook rekening worden gehouden met uitharding en mechanische prestaties.
3. Controleer de kwaliteit van het vulmiddel
Controleer de deeltjesgrootte, vorm, vochtgehalte, zuiverheid, kleur en oppervlaktebehandeling. Variaties tussen batches vulmiddel kunnen de viscositeit en het vormgedrag veranderen.
4. Test verschillende laadniveaus
Bereid gecontroleerde batches voor met verschillende vulstofinhouden. Meet de viscositeit, geltijd, uithardingskwaliteit, krimp en de mechanische eigenschappen die relevant zijn voor het product.
5. Voer productieproeven uit
Laboratoriumtests kunnen niet elke fabriekstoestand reproduceren. Bij proeven moet gebruik worden gemaakt van de daadwerkelijke menger, wapening, mallen, temperaturen en productiecyclus.
6. Bereken de totale kosten
Inclusief materiaalverbruik, arbeid, energie, slijtage van apparatuur, cyclustijd, transport, uitval en afwerking. Selecteer de formulering die de vereiste prestaties levert tegen de laagste betrouwbare totale kosten.
Veelvoorkomende fouten die u moet vermijden
Fabrikanten moeten het volgende vermijden:
Vulmiddel toevoegen zonder de viscositeit te controleren
Ervan uitgaande dat meer vulmiddel altijd lagere kosten betekent
Gebruik van vochtig of inconsistent vulmiddel
Behandelen van plamuur als structurele wapening
Het negeren van lucht die tijdens het mengen binnenkomt
Wijzigen van de vulstoflading zonder de geltijd te controleren
Een laboratoriumformule rechtstreeks opschalen naar productie
Vergelijken van testgegevens verkregen onder verschillende omstandigheden
Alle materialen moeten worden behandeld in overeenstemming met hun veiligheidsinformatiebladen. Geschikte ventilatie, beschermende uitrusting en procedures voor stofbeheersing zijn noodzakelijk.
Conclusie
Vulstoffen kunnen de viscositeit, sterkte en kosten van onverzadigde polyesterhars aanzienlijk beïnvloeden.
Een hoger vulstofgehalte verhoogt normaal gesproken de viscositeit en vermindert het harsverbruik. Een geschikt vulmiddel kan de stijfheid, hardheid, maatvastheid of functionele prestaties verbeteren. Overmatig of slecht gedispergeerd vulmiddel kan de stroming verminderen, lucht vasthouden, het grensvlak tussen hars en vulmiddel verzwakken en het eindproduct bros maken.
De beste formulering is niet degene met de hoogste vulstofbelasting. Het is degene die de vereiste eigenschappen bereikt, consistent verwerkt en de laagste totale kosten per acceptabel eindproduct oplevert.
Fabrikanten moeten de hars, het vulmiddel, de versterking, het uithardingssysteem en de productieomstandigheden als één compleet systeem beoordelen. Laboratoriumtests gevolgd door grootschalige tests bieden de meest betrouwbare basis voor het bepalen van een geschikt vulniveau.
