Szervetlen töltőanyagok kezelése

Az alkalmazott bevonatokat tekintve a töltőanyagok három típusba sorolhatók. Az első csoportba tartoznak azok az anyagok, amelyek nagy koncentrációban tartalmaznak OH-csoportokat, pl. az alumínium-hidroxid (alumínium-trihidrát vagy ATH) és a magnézium-hidroxid (Mg(OH)2). Ezek a hidroxil-csoportok számos bevonattal azonnal reakcióba lépnek.

A második csoportot a karbonátok képezik, pl. CaCO3 és CaMg3(CO3)4, amelyek legkönnyebben savas bevonatokkal reagálnak. Más ásványi anyagok (harmadik csoport), különösen a szilikátok, pl. talkum és csillám, helyhez kötött OH-csoportokat tartalmaznak, amelyek leginkább szilán típusú vegyületekkel reagálnak.

A legtöbb bevonat a töltőanyag részecskékkel lép reakcióba, de nem reagál a polimer mátrixszal, ezért egyfunkciós vegyületeknek is nevezzük őket. Alkalmazásuk során a 66. ábra szerinti reakció játszódik le.

66. ábra - Szerves sav kötődése Mg(OH)

felületére

A talkum lemezes szerkezetű, inert felületi rétegeket tartalmaz, amelyeknek csak az összetört végén találhatók OH-csoportok. A csillám ugyancsak lemezes szerkezetű SiO4 tetraéderekből épül fel. A negatív töltést a fém kationok túlkompenzálják, az így kialakuló pozitív töltést pedig a negatív töltésű OH-ionok és valószínűleg fluorid-ionok ellensúlyozzák. Ugyanúgy, mint a talkum esetében, az OH-koncentráció éppen ezért alacsony.

Ezekhez a töltőanyagokhoz szilán típusú vegyületekt alkalmaznak leginkább.

A kétfunkciós bevonatok, amelyek szigorúan véve valójában kapcsoló ágensek, mind a töltőanyaggal, mind pedig a polimer mátrixszal reagálnak. A szerves szilán vegyületek a legelterjedtebbek ebben a csoportban. A szilánok azonban nem lépnek reakcióba a karbonát-típusú töltőanyagokkal, pl. a CaCO3-ot emiatt kezeletlen formában meglehetősen korlátozott mértékben használják, elsősorban viszkozitás csökkentésére alkalmazzák hőre keményedő gyantákban. Az alkalmazási területek bővíthetők és a felhasznált mennyiség is jelentősen növelhető a sztearinsavval történő kezelés hatására.

Régóta ismert, hogy a sztearinsavval történő felületkezelés hatására javul a CaCO3-ot tartalmazó polimerek feldolgozhatósága, az ütésállóságot növeli, és a nedvesíthetőség növelésével szebb felület érhető el, különösen a hőre keményedő rendszerekben. A sztearát bevonat típusa az alkalmazott alapanyagokkal együtt változik, így a bevonattól függően elérhetünk jobb feldolgozási jellemzőket, mechanikai és elektromos tulajdonságokat is.

Kereskedelmi forgalomban meglehetősen nagyszámú, bevonattal ellátott töltőanyag van, pl. sztearáttal, sztearinsavval és gyantával bevont karbonátok, valamint szilánnal bevont töltőanyagok.

A töltőanyagok felületén a bevonatot lehet nedves vagy száraz eljárással kialakítani. A nedves eljárás során a bevonatot vízben feloldjuk, majd hozzáadjuk a töltőanyagot. Az így létrehozott szuszpenziót melegítjük, hogy elinduljon a kémiai reakció a komponensek között. A bevont töltőanyagot mosni, majd szárítani kell. Szilán bevonatok esetén a vizes oldat pH-ját a 4-5 tartományban kell tartani, hogy az alkoxi-csoportok elhidrolizáljanak.

A száraz bevonatot gyorskeverőben lehet kialakítani, amikor a bevonatot a töltőanyaghoz akár száraz formában, akár oldószerbe permetezve adjuk hozzá. A bevonatokat, például sztearinsavat ennél a módszernél az olvadáspontjuk fölött kell tartani a keverés során. A másik megoldás az lehet még, hogy a bevonatot a töltőanyag és polimer összedolgozása (kompaundálása) során adagolják. Ha azonban a bevonat nem túlságosan összeférhető a polimerrel, akkor a kompaundálás során a bevonat molekulák a töltőanyag felületére vándorolnak, ez pedig nem javítja a komponensek összeférhetőségét.

A termékként előállított kompaundok tulajdonságai nagymértékben függnek a bevonat koncentrációjától.

Széleskörű feltételrendszernek kell azonban teljesülnie ahhoz, hogy az optimális tulajdonságokat a bevonat molekuláiból egyetlen (monoborítású) réteg kialakításával el lehessen érni. Ugyanakkor ez okozza a problémákat is.

Az első nehézséget pontosan ennek a mérése jelenti. A módszerek eltérnek egymástól, lehetnek elméletiek vagy gyakorlatiak. Az elméleti módszerek szerint a töltőanyag felületével kialakuló kölcsönhatás, az atomi méretek és a kötéshosszúságok ismeretében a bevonat molekulájára helyigényt számítunk. Ezt a területet viszonyítjuk azután a töltőanyag felületéhez. Másik megközelítés szerint számítani lehet a felületen lévő reakcióképes (reaktív) helyek számát és a bevonat mennyiségét, amivel ezek reagálni tudnak.

A gyakorlati módszerek meglehetősen korszerű módszereket és műszereket igényelnek, pl. DRIFT (diffúz reflexiós FT-IR spektroszkópia) és XPS (röntgen fotoelektron spektroszkópia). Sajnálatos módon ezek a módszerek azonban gyakran eltérő eredményeket adnak. Ennek oka, hogy a legtöbb töltőanyag részecske szabálytalan alakú, nem minden reaktív hely hozzáférhető és a bevonat molekulák különböző orientációval helyezkedhetnek el a töltőanyag felületétől függően. Emellett a bevonatok fiziszorpcióval és kemiszorpcióval is kötődhetnek a töltőanyagon, ami tovább nehezíti a mérést.

A töltőanyaghoz alkalmazott bevonatok jelentősen befolyásolják a kompozitok jellemzőit is. Minden fölöslegben lévő bevonat ugyanis kenőanyagként viselkedik. A reológiai tulajdonságokban bekövetkező változások módosíthatják az orientációt pl. fröccsöntésnél, és emiatt más tulajdonságok is megváltoznak.

Megváltozhat például a töltőanyag-irányítottság is, amely nagy alaki tényezőjű töltőanyagoknál drasztikus lehet.

A bevonat/szerkezet/tulajdonság kapcsolatok összefoglalva tehát igen összetettek, és csak kevés általános elv fogalmazható meg. A töltőanyag-bevonat nyilvánvalóan megnöveli a kompaund költségét, de számos előnyt is nyújtanak. A felületkezeléssel a töltőanyag egyenletesebben oszlatható el a polimerben, mert javítja a nedvesíthetőséget, és így könnyebb a töltőanyagot a polimerbe bedolgozni. További előnyt jelent, hogy a

felületkezelés hatására a töltőanyag kevésbé porzik, így könnyebben feldolgozható. Sokféle típus kapható, ezért az elérhető lehetőségeket komolyan meg kell fontolni a kiválasztott felhasználási célnak megfelelően.