Plnivá sú široko používané v nenasýtenej polyesterovej živici na kontrolu správania pri spracovaní, úpravu výkonu produktu a zníženie nákladov na materiál. Bežné plnivá zahŕňajú uhličitan vápenatý, oxid kremičitý, kremeň, trihydrát oxidu hlinitého, mastenec, íl a sklenené mikroguľôčky.
Pridanie väčšieho množstva plniva však nie vždy vedie k lepšej formulácii. Nadmerné množstvo môže sťažiť miešanie živice, znížiť prietok, zachytávať vzduch, brániť zmáčaniu sklenených vlákien a oslabovať konečný produkt.
Správny plniaci systém musí vyvážiť tri dôležité faktory: viskozitu, mechanický výkon a celkové výrobné náklady. Tento článok vysvetľuje, ako plnivá ovplyvňujú každú z týchto vlastností a ako môžu výrobcovia určiť vhodnú náplň plniva.
Čo sú plnivá v nenasýtenej polyesterovej živici?
Plnivá sú pevné častice rozptýlené v tekutej živici pred odlievaním alebo tvarovaním. V závislosti od zvoleného materiálu ich možno použiť na:
Znížte spotrebu živice
Zvýšte viskozitu
Zlepšite tuhosť alebo tvrdosť
Ovládajte zmršťovanie pri vytvrdzovaní
Zlepšite rozmerovú stabilitu
Upravte hustotu
Podporujte výkon spomaľujúci horenie
Zlepšite vzhľad povrchu
Plnivá by sa nemali zamieňať s výstužnými vláknami. Sklenené vlákna nesú predovšetkým štrukturálne zaťaženie, zatiaľ čo minerálne plnivá zvyčajne upravujú spracovanie, cenu, rozmerovú stabilitu alebo vybrané fyzikálne vlastnosti.
V aplikáciách SMC a BMC môže kompletná formovacia hmota obsahovať nenasýtenú polyesterovú živicu, plnivá, sklenené vlákna, pigmenty, iniciátory, separačné činidlá, zahusťovadlá a ďalšie prísady.
Bežné plnivá a ich účinky Vplyv
| plniva |
na viskozitu |
Možný vplyv na výkon |
Úvaha o nákladoch |
| Uhličitan vápenatý |
Zvyšuje sa zaťažením |
Môže zlepšiť tvrdosť a kontrolu rozmerov |
Bežne sa používa na zníženie spotreby živice |
| Silica alebo kremeň |
Môže sa výrazne zvýšiť |
Môže zlepšiť tvrdosť a kompresné vlastnosti |
Závisí od veľkosti častíc a čistoty |
| Trihydrát oxidu hlinitého |
Zvyčajne zvyšuje viskozitu |
Môže podporovať výkon spomaľujúci horenie |
Funkčná hodnota môže odôvodniť vyššie náklady |
| mastenec |
Modifikuje tok a reológiu |
Môže zlepšiť tuhosť a stabilitu |
Často relatívne ekonomické |
| Duté mikroguľôčky |
Môže zvýšiť viskozitu |
Znížiť hustotu, ale môže znížiť niektoré pevnosti |
Vyššia cena môže byť kompenzovaná úsporou hmotnosti |
Účinky uvedené v tabuľke sú všeobecné tendencie. Skutočné výsledky závisia od veľkosti častíc, tvaru, plochy povrchu, úrovne zaťaženia, disperzie a kompatibility so živicou.
Ako plnivá ovplyvňujú viskozitu
Viskozita je zvyčajne prvou vlastnosťou, ktorá sa zmení po pridaní plniva do nenasýtenej polyesterovej živice.
Pevné častice obmedzujú pohyb tekutej živice. Keď sa obsah plniva zvyšuje, častice sa približujú k sebe a silnejšie interagujú, čo spôsobuje, že formulácia je hustejšia.
Vzťah nie je vždy lineárny. Malé zvýšenie pri nízkej hladine plniva môže spôsobiť len miernu zmenu. Rovnaké zvýšenie pri vysokej úrovni zaťaženia môže spôsobiť prudký nárast viskozity.
Nadmerná viskozita môže viesť k:
Vysoká viskozita nie je vždy nežiaduca. Môže pomôcť zabrániť usadzovaniu plniva a znížiť prehýbanie na zvislých povrchoch. Správna viskozita závisí od výrobného procesu.
Veľkosť častíc
Jemné častice majú väčší celkový povrch ako hrubé častice rovnakej hmotnosti. Na zvlhčenie tohto povrchu je potrebné viac živice, takže jemné plnivá často zvyšujú viskozitu výraznejšie.
Riadená kombinácia jemných a hrubých častíc môže zlepšiť účinnosť balenia. Menšie častice zaberajú priestory medzi väčšími, čo niekedy umožňuje pridať viac plniva bez toho, aby bola formulácia nadmerne hustá.
Tvar častice
Zaoblené častice vo všeobecnosti prúdia ľahšie ako hranaté, vločkovité alebo ihlovité častice. Nepravidelné častice vytvárajú väčší odpor a môžu výrazne zvýšiť viskozitu.
Tvar častíc môže tiež ovplyvniť tuhosť, kvalitu povrchu a odolnosť proti opotrebovaniu. Výrobcovia by preto mali hodnotiť spracovanie aj konečný výkon.
Teplota a miešanie
Nenasýtená polyesterová živica sa zvyčajne stáva menej viskóznou so zvyšujúcou sa teplotou. Rovnaká plnená formulácia môže preto tiecť rozdielne v lete a v zime.
Dôležité sú aj podmienky miešania. Nedostatočné premiešanie môže zanechávať aglomeráty, zatiaľ čo príliš agresívne miešanie môže privádzať vzduch a zvyšovať teplotu materiálu. Rýchlosť mixéra, konštrukcia čepele, čas miešania a poradie pridávania by mali byť štandardizované.
Oficiálny obrázok produktu Huake HS-2250 zobrazuje živicu, obal a aplikáciu polyesterového betónu.
Ako plnivá ovplyvňujú silu
Vplyv plniva na pevnosť je komplikovanejší ako jeho vplyv na viskozitu. Výplň môže zlepšiť jednu vlastnosť a zároveň znížiť inú.
Tuhosť a tvrdosť
Tuhé minerálne častice môžu obmedziť deformáciu vytvrdenej polymérnej matrice. Správne zvolené plnivá môžu preto zlepšiť tuhosť, povrchovú tvrdosť, správanie v tlaku alebo odolnosť proti opotrebovaniu.
Tuhosť a pevnosť však nie sú to isté. Formulácia môže byť tvrdšia a tuhšia a zároveň sa môže stať krehkejšou.
Vlastnosti v ťahu a ohybe
Živica musí zmáčať a priľnúť k povrchu plniva. Dobrá disperzia a vhodné rozhranie živica-plnivo pomáhajú prenášať napätie cez materiál.
Zlá kompatibilita môže vytvoriť slabé hranice tam, kde začínajú praskliny. Aglomerované častice plniva a zachytený vzduch tiež pôsobia ako body koncentrácie napätia.
Pri nadmernom zaťažení nemusí byť dostatok živice na účinné viazanie častíc a výstuže. V dôsledku toho sa môže znížiť pevnosť v ťahu, predĺženie, odolnosť proti nárazu alebo pevnosť v ohybe.
Minerálne plnivá by sa nemali považovať za náhrady za vystuženie sklenenými vláknami v konštrukčných FRP výrobkoch.
Odolnosť proti nárazu
Vysoké množstvá tuhého plniva často znižujú predĺženie a zvyšujú krehkosť. To môže spôsobiť, že komponent bude náchylnejší na nárazy, vibrácie alebo opakované zaťaženie.
Ak bude výrobok vystavený nárazom alebo únave, výrobcovia by mali vykonať príslušné testy na úplne vytvrdnutom zložení, a nie spoliehať sa len na údaje o čistej živici.
Zmršťovanie a rozmerová stabilita
Minerálne plnivá nevytvrdzujú a nezmršťujú sa rovnakým spôsobom ako živicová matrica. Výmena časti reaktívnej živice za stabilný pevný materiál môže znížiť celkové zmrštenie pri vytvrdzovaní.
To je užitočné v polyesterovom betóne, liatych výrobkoch, komponentoch SMC/BMC a nástrojových aplikáciách. Menšie zmrštenie môže zlepšiť rozmerovú presnosť a znížiť deformáciu alebo viditeľné vzory výstuže.
Napriek tomu je plnivo len jednou časťou kontroly zmršťovania. Výsledok môže ovplyvniť aj chémia živice, rýchlosť vytvrdzovania, teplota formy, hrúbka dielu a nízkoprofilové prísady.
Ako plnivá ovplyvňujú náklady
Základné minerálne plnivá, ako je uhličitan vápenatý, často stoja menej na kilogram ako nenasýtená polyesterová živica. Výmena časti živice plnivom môže preto znížiť priame náklady na materiál.
Tento prístup je bežný pri liatych výrobkoch, umelom kameni, polyesterovom betóne a formovacích zmesiach.
Svoje opisuje napríklad Huake Nenasýtená polyesterová živica HS-2250 ako živica s nízkou viskozitou určená pre polyesterový betón, s vlastnosťami zmáčavosti plniva určenými na podporu vysokého zaťaženia plniva.
Najlacnejšia receptúra na kilogram však nemusí produkovať hotový diel s najnižšími nákladmi.
Skryté náklady na vysokú náplň plniva
Nadmerné plnivo môže zvýšiť:
Tvrdé minerálne plnivá môžu zvýšiť opotrebovanie čerpadiel, miešačiek, skrutiek, foriem a rezacích zariadení. Husté plnivá môžu tiež zvýšiť hmotnosť hotového komponentu a zvýšiť náklady na dopravu alebo inštaláciu.
Správny výpočet by preto mal zahŕňať celkové náklady na prijateľný produkt, nielen ceny živice a plniva.
Funkčné plnivá
Niektoré plnivá sa vyberajú predovšetkým kvôli výkonu, a nie znižovaniu nákladov.
Trihydrát oxidu hlinitého môže byť začlenený do správne navrhnutého systému spomaľujúceho horenie. Duté mikroguľôčky môžu znížiť hustotu produktu. Špecializované plnivá môžu tiež podporovať zlepšené tepelné správanie, povrchovú úpravu alebo elektrické vlastnosti.
Tieto plnivá môžu stáť viac ako bežné minerály, ale ich funkčné výhody môžu pomôcť hotovému produktu splniť dôležité požiadavky na výkon.
Oficiálny obrázok BMC spoločnosti Huake zobrazuje formovaciu zmes, priemyselné balenie a reprezentatívne lisované komponenty.
Plnenie sa musí zhodovať s procesom
Rôzne výrobné procesy vyžadujú rôzne viskozitné a tokové charakteristiky.
Polyesterový betón alebo odlievaná formulácia môže obsahovať relatívne vysoké množstvo minerálneho plniva. Ručne nanášaná živica musí zostať dostatočne tekutá, aby správne zmáčala výstuž zo sklenených vlákien.
Systémy SMC a BMC vyžadujú starostlivo kontrolovanú reológiu. Počas formovania musí materiál prúdiť pod teplom a tlakom, vypĺňať zložité prvky formy, niesť výstuž a po vytvrdnutí sa musí úspešne uvoľniť.
Huake's Zmes na objemové formovanie je opísaná ako zmes obsahujúca živicu, minerálne plnivá, sklenené vlákna, iniciátory, separačné činidlá, zahusťovadlá a pomocné látky. Jeho výkon teda závisí od vyváženosti kompletnej formulácie.
Ako optimalizovať formuláciu plnenej živice
1. Definujte požadovaný výkon
Určte cieľovú viskozitu, pevnosť, tuhosť, odolnosť proti nárazu, zmršťovanie, hustotu, kvalitu povrchu a odolnosť voči vplyvom prostredia.
2. Vyberte vhodnú živicu
Vyberte si nenasýtenú polyesterovú živicu navrhnutú pre zamýšľaný proces a náplň plniva. Nízka počiatočná viskozita môže podporiť vyšší obsah plniva, ale musí sa zvážiť aj vytvrdzovanie a mechanické vlastnosti.
3. Kontrola kvality plniva
Skontrolujte veľkosť častíc, tvar, obsah vlhkosti, čistotu, farbu a povrchovú úpravu. Rozdiely medzi dávkami plniva môžu zmeniť viskozitu a správanie pri formovaní.
4. Otestujte niekoľko úrovní zaťaženia
Pripravte kontrolované dávky s rôznym obsahom plniva. Zmerajte viskozitu, čas gélovatenia, kvalitu vytvrdzovania, zmršťovanie a mechanické vlastnosti relevantné pre produkt.
5. Vykonajte výrobné skúšky
Laboratórne testy nemôžu reprodukovať všetky výrobné podmienky. Skúšky by mali používať skutočný mixér, výstuž, formy, teploty a výrobný cyklus.
6. Vypočítajte celkové náklady
Zahrňte spotrebu materiálu, prácu, energiu, opotrebovanie zariadenia, čas cyklu, dopravu, nepodarky a konečnú úpravu. Vyberte formuláciu, ktorá poskytuje požadovaný výkon pri najnižších spoľahlivých celkových nákladoch.
Bežné chyby, ktorým sa treba vyhnúť
Výrobcovia by sa mali vyhnúť:
Pridávanie plniva bez kontroly viskozity
Za predpokladu, že viac plniva vždy znamená nižšie náklady
Použitie vlhkého alebo nekonzistentného plniva
Spracovanie plniva ako konštrukčnej výstuže
Ignorovanie vzduchu privádzaného počas miešania
Zmena plnenia plniva bez kontroly času gélovania
Škálovanie laboratórneho vzorca priamo do výroby
Porovnanie testovacích údajov získaných za rôznych podmienok
So všetkými materiálmi by sa malo zaobchádzať podľa ich kariet bezpečnostných údajov. Je potrebné vhodné vetranie, ochranné vybavenie a postupy na kontrolu prachu.
Záver
Plnivá môžu významne ovplyvniť viskozitu, pevnosť a cenu nenasýtenej polyesterovej živice.
Zvýšenie obsahu plniva normálne zvyšuje viskozitu a znižuje spotrebu živice. Vhodné plnivo môže zlepšiť tuhosť, tvrdosť, rozmerovú stabilitu alebo funkčný výkon. Nadmerné alebo zle rozptýlené plnivo môže znížiť prietok, zachytiť vzduch, oslabiť rozhranie živica-plnivo a spôsobiť krehkosť konečného produktu.
Najlepšia formulácia nie je tá, ktorá obsahuje najvyššie množstvo plniva. Je to ten, ktorý dosahuje požadované vlastnosti, dôsledne spracováva a prináša najnižšie celkové náklady na prijateľný hotový výrobok.
Výrobcovia by mali vyhodnotiť živicu, plnivo, výstuž, systém vytvrdzovania a výrobné podmienky ako jeden kompletný systém. Laboratórne testovanie nasledované úplnými testami poskytuje najspoľahlivejší základ na určenie vhodnej hladiny plniva.
