فیلرهای پلیمری

فیلرهای پلیمری (پرکننده)، مواد نسبتاً خنثی آلی یا معدنی هستند که جهت بهبود خواص فیزیکی پلیمر و همچنین برای کاهش هزینه‌های محصول از آن‌ها استفاده می‌شود. این مواد در حقیقت ذراتی هستند که به رزین و اتصال دهنده‌ها (پلاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها، بتن) اضافه می‌شوند. فیلرها (پرکننده‌ها) می‌توانند جامد، مایع یا گازی شکل باشند. ماهیت این مواد به طوری است که  فضا را اشغال کرده و بدون تغییر در سایر مشخصات پلیمر، با ترکیبات کم هزینه جایگزینِ رزین گران قیمت می‌شوند.

دو بخش بزرگ برای استفاده از مواد فیلری (پرکننده)، الاستومرها و پلاستیک‌ها است، به طوریکه سالانه بیش از 50 میلیون تن مواد پرکننده در کل جهان مصرف می‌شود. انواع مختلفی از فیلرهای پلیمری مورد استفاده در پلاستیک‌ها عبارتند از: تری هیدرات آلومینا، رس کائولن، کربنات کلسیم، باریم سولفات، تالک و غیره؛ که متداول‌ترین این فیلرها در صنایع پلاستیک، کربنات کلسیم و بعد از آن تالک و باریم سولفات است.

ویژگی فیلرهای پلیمری

با انتخاب مناسب این مواد، نه تنها در بحث کاهش هزینه‌ها بلکه سایر خصوصیات محصول مانند پردازش نهایی و رفتار مکانیکی آن نیز بهبود خواهد یافت. مواد فیلر (پرکننده) معمولاً سخت‌تر از پلیمرهای معمولی هستند. بنابراین، افزودن ماده پرکننده باعث افزایش مدول کششی و خمشی پلیمر می‌شود. از دیگر مزایای مهم فیلرها می‌توان به مقاومت بیشتر الکتریکی، قابلیت اشتعال کمتر و بهبود مقاومت در برابر اشعه ماورا بنفش اشاره کرد.

از دیگر نکات قابل تأمل این بخش خصوصیات پلیمرهای تقویت شده با فیلر است که این خصوصیات به سه عامل فعل و انفعالات بین ذرات فیلر، ساختار ماده پلیمری و ماهیت شیمیایی سطح ذرات فیلر بستگی دارد.

انواع فیلرهای پلیمری

تعدادی از انواع فیلرها که در صنعت استفاده می‌شوند، در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

طبقه بندی فیلرهای پلیمری

فیلرهای پلیمری از اشکال ظاهری مختلف گرفته تا بر اساس انواع مشخصات و روش‌های تولید، طبقه بندی شده‌اند. به طور کلی فیلرها را می‌توان به دو دسته زیر طبقه بندی کرد:

1– طبقه بندی بر اساس عملکرد (Classification Base On Performance)

1-1) فیلرهای توسعه دهنده  (Extenders Filler)

پرکننده‌های توسعه دهنده (اکستندر) در درجه اول فضا را اشغال می‌کنند و عمدتاً برای کاهش هزینه فرمولاسیون استفاده می‌شوند.

خصوصیات فیلرهای اکستندر

به طورکلی، فیلر توسعه دهنده (اکستندر) ایده آل باید:

• کروی شکل باشد تا اجازه حفظ خواص ناهمسانگرد را بدهد.
• توزیع اندازه ذرات مناسب برای بسته بندی ذرات داشته باشید.
• باعث عدم واکنش شیمیایی با پلیمر یا مواد افزودنی شود
• دارای وزن مخصوص کم باشد.
• ضریب شکست و رنگ مطلوبی داشته باشد.
• کم هزینه باشد.

1-2) فیلر‌های عملکردی (Functional Filler)

مورد دیگر، فیلرهای عملکردی است که جدا از کاهش هزینه‌ی فرمولاسیون، می‌توانند عملکرد مشخص و مورد نیاز فرمولاسیون را تأمین کنند.

اگر اندازه ذرات فیلرهای توسعه دهنده (اکستندر) را کاهش دهیم ماده حاصل به عنوان فیلر عملکردی عمل می‌کند. فیلرهایی که در یک پلیمر کاربردی هستند ممکن است در پلیمرهای دیگر بعنوان گسترش‌دهنده عمل کنند. چنین عواملی به طور جدی وظیفه ایجاد خطوط مرزی دقیق بین فیلرهای توسعه دهنده و فیلر های عملکردی را از نظر ترکیب عمومی بر عهده دارند. با این حال، همانطور که در شکل نشان داده شده است بر اساس عملکرد می‌توان آن‌ها را جدا کرد.

بنابراین، فیلرهای توسعه‌دهنده اساساً هزینه فرمولاسیون را کاهش و مدول خمش را افزایش می‌دهند ، در حالی که فیلرهای کاربردی حداقل یک عملکرد خاص مورد نیاز در فرمولاسیون را فراهم می‌کنند.

2- طبقه بندی بر اساس نوع (Classification Base on Type)

1-2) فیلرهای ذرات ریز (Particulate Filler)

فیلرهای ذرات ریز به دو نوع فیلر بی اثر و فیلر تقویت‌کننده تقسیم می‌شوند. اصطلاح فیلر بی‌اثر اصطلاح غلطی است؛ زیرا ممکن است بسیاری از خصوصیات محصول خروجی پس از تأثیر چنین فیلری تغییر پیدا کنند. برای مصارف عادی، چنین فیلرهایی باید کاملاً محلول در مایع باشند تا احتمال تماس ماده‌ی پلیمر با آن وجود داشته باشد.

هر نوع فیلر ممکن است از جهات زیر متفاوت باشد:

• اندازه ذرات و توزیع متوسط ذرات ریز بر روی فیلر
• شکل و تخلخل ذرات
• ماهیت شیمیایی سطح فیلر
• ناخالصی‌هایی مانند یون‌های شن، ماسه و فلز که همراه با ماده فیلر است

معمولاً بدین صورت است که هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد، میزان مقاومت در برابر کشش، مدول و سختی بالاتر است. ذرات درشت نسبت به ماده اصلاح نشده (بعنوان مثال ماده بدون فیلر) ترکیبات قوی کمتری را ارائه می‌دهند، اما اگر اندازه این ذرات خوب باشد، خصوصیات مکانیکی نیز افزایش می‌یابد، که این پدیده را تقویت کننده می‌گویند.

ناخالصی‌های موجود در فیلرهای ذرات ریز می‌توانند تأثیرات جدی بر روی ترکیب محصولات داشته باشند. در واقع ذرات درشت منجر به ایجاد نقاط ضعف در پلیمرهای نرم می‌شوند که باعث می‌شود تحت تنش‌های کمتر از حد انتظار این مواد کاملاً از بین بروند.

2-2) فیلرهای لاستیکی (Rubbery Fillers)

فیلر‌های لاستیکی اغلب برای بهبود مقاومت در ترموپلاستیک‌های سخت استفاده می‌شوند. افزایش مقاومت این فیلرها باعث افزایش قابل توجه مقاومت و سختی تولیدات می‌شود.

3-2) فیلرهای الیافی (Fibrous Filler)

از فیلرهای الیافی مدت زیادی است که در مواد پلاستیکی استفاده می‌شود. فیلرهای الیافی اغلب به شکل لایه‌ای تعبیه می‌شوند. الیاف مصرفی در مقایسه با رزین‌هایی که در آن قرار می‌گیرند، از مدول بالاتری برخوردارند، به طوری که وقتی محصول تولید شده با الیاف کشیده می‌شود، قسمت اعظم تنش وارده توسط لیف گرفته می‌شود که این امر منجر به افزایش استحکام و مدول در مقایسه با پلیمر اصلاح نشده خواهد شد.

از جمله فیلرهای الیافی با کاربرد تقویت استحکام ضربه‌ای می‌توان به خاک اره، خرده پنبه، الیاف کوتاه مصنوعی نظیر الیاف نایلون، اشاره کرد. فیلرهای دیگری مانند الیاف معدنی نظیر پنبه نسوز و الیاف شیشه در ترموپلاستیک‌ها و ترموست‌ها وجود دارند که از آن ها برای افزایش مقاومت حرارتی و استحکام در برابر تغییرات دمایی استفاده می‌شود.

عیب اصلی این فیلرها، کاهش شفافیت و همچنین افزایش ویسکوزیته پلیمر خروجی است که با رعایت میزان فیلر مصرفی، به آسانی قابل کنترل خواهند بود.

از جمله مهم‌ترین فیلرهای الیافی در پلاستیک‌ها می‌توان به انواع الیاف شیشه، الیاف پنبه، الیاف پلی استر، الیاف پلی وینیل الکل، الیاف پلی اکریلونیتریل اشاره کرد. از دیگر فیلرهای الیافی می‌توان به فیلرهای الیاف کربن وگرانیت اشاره کرد که کاربرد آن برای ساخت کامپوزیت‌هایی با استحکام بالا و وزن کم در صنایع است.

جمع بندی

فیلرها یکی از پرمصرف‌ترین موارد اولیه در تولید محصولات پلاستیکی هستند. با توجه به کاربردهای مواد و نوع محصول تولیدی، فیلرهای مختلفی می‌توانند برای تولید مورد استفاده قرار بگیرند. یکی از معروف‌ترین و متداولترین فیلرها در صنعت پلاستیک، کربنات کلسیم است. در تولید بسیاری از سفره ها، نایلون های شرینک، محصولات و ظروف پلاستیکی و… از فیلر کربنات کلسیم استفاده می‌شود. کاربردهای این محصول به قدری گسترده است که در صنعت، زمانی که حرفی از فیلر زده می‌شود، منظور کربنات کلسیم پرکننده است. تولیدکنندگان می‌توانند برای خرید این محصول، به صفحه خرید کربنات کلسیم مراجعه کنند و یا با شماره 02179615000 تماس بگیرند.