Содержание

Классификация и виды наполнителей

 

К идеальному наполнителю предъявляются особые требования, которые очень трудно сочетать в одном наполнителе: высокая прочность, высокий уровень физико-механических свойств, низкое водопоглощение, хорошая смачиваемость, отсутствие вредных примесей, низкая стоимость, высокая химическая стойкость и термостойкость, негорючесть, доступность предания заданной формы и размеров частиц, хорошая диспергируемость. Наполнители должны хорошо совмещаться с полимером или диспергироваться в нем с образованием однородной композиции. Они не должны изменять свои свойства при хранении, переработке и эксплуатации.

Для достижения необходимых свойств полимера могут применяться одновременно несколько различных наполнителей. Часто вводятся наполнители разных форм и составов. Подбором соответствующих наполнителей можно регулировать химическую стойкость, теплостойкость, тепло- и электропроводность, плотность и другие характеристики ПКМ.

При использовании твердых наполнителей различной природы (полимеры, металлы, керамика) и структуры, удается получить самое большое количество разнообразных свойств материала. В качестве наполнителей композитов возможно использование практически любых природных и искусственно созданных материалов, после соответствующей обработки для достижения необходимой формы, структуры и размеров материала.

Из одного и того же материала (например, стекла) можно получить различные по форме, структуре, раз-мерам наполнители – это порошки, с частицами шарообразной, чешуйчатой, игольчатой, эллипсоидной формы; нити, волокна различного диаметра и длины; ткани, ленты, холсты и т.д.

Существует ряд подходов при классификации наполнителей по различным признакам. По агрегатному состоянию все известные наполнители делятся на газообразные, жидкие и твердые. По своей природе они делятся на органические и неорганические; по источнику получения - на растительные, синтетические, минеральные; по назначению - на армирующие, упрочняющие, усиливающие, нейтральные; по размерам, форме частиц и структуре - на четыре основных вида: дисперсные (порошкообразные); волокнистые (волокна, нити, жгуты); листовые (пленочные) с заданной структурой (ткани, бумага, листы, ленты, сетки, пленки); объёмные (каркасные) с непрерывной трехмерной структурой (объемные ткани, войлок, скелетные и пористые каркасы).

Далее будут рассмотрены наполнители на базе последней классификации, как наиболее рациональной.


Дисперсные наполнители

 

Дисперсные наполнители - наиболее распространенный вид наполнителей ПКМ в качестве которых выступают разнообразные вещества органической и неорганической природы. Одним из основных назначений дисперсных наполнителей является снижение стоимости композиций. В основном это порошкообразные вещества с различным размером частиц - от 2-10 до 200-300 мкм. Обычно размер частиц не превышает 40 мкм, однако в последнее время используются частицы размером менее 1 мкм для создания нанокомпозитов. Содержание дисперсных наполнителей в ПКМ меняется в широких пределах - от нескольких процентов до 70-80%. Такие ПКМ, как правило, изотропны, однако асимметрическая форма частиц при условии заметной ориентации в процессах переработки может приводить к возникновению некоторой анизотропии свойств - последняя более характерна для волокнистых наполнителей.

К числу важнейших требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка).

Кроме того, тип связующего предъявляет также определенные требования к наполнителю. Так, при наполнении реактопластов наполнители могут оказывать каталитическое действие на процесс отверждения связующего, а при наполнении термопластов желательно, чтобы частицы наполнителя имели шероховатую поверхность для лучшего сцепления с матрицей.

Для улучшения смачивания наполнителя полимером, улучшения адгезии, снижения склонности частиц к агломерации поверхность порошкообразных наполнителей часто обрабатывают поверхностно-активными веществами. Улучшению адгезии на поверхности раздела «наполнитель-полимер» могут способствовать также реакционно-способные функциональные группы, имеющиеся в наполнителе или специально сформированные.


Свойства некоторых наиболее распространенных видов дисперсных минеральных наполнителей.

 
 Наполнитель Плотность, кг/м3Модуль упругости, ГПаКоэффициент
 Пуассона
Температура, oC
Каолин2600--1000 (Tр)
Тальк27883,50,41500 (Tпл)
Слюда28340,250,25-0,351290 (Tр)
Мел26006-90,8-3920 (Tр)
Кварц(стекло)22486,7-8 0,07-0,451600 (Tпл)
Барит44805,9-6,10,25-0,321143 (Tр)
Аэросил23506,50,151400 (Tпл)
Асбест(хризатиловый)2100-280016- 1110 (Tпл)
Белая сажа2100-22004,5-5,50,31200 (Tпл)
Технический углерод1820-0,351000(применение)
Гидроксид алюминия24200--420 (Tр)
Рутил4200-4300290,281980 (Tпл)
Гипс23171,40,22-0,34550 (Tр)
Корунд3900-400037-520,13-0,22050 (Tпл)

                  Табл. Свойства дисперсных наполнителей для полимеров.


Мел (карбонат кальция, CaCO3)Карбонат кальция (мел, CaCO3) - один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. Основной источник - природный известняк, подвергнутый измельчению, флотации для удаления примесей и фракционированию с получением частиц размерами 1-10 мкм. Получается также путем осаждения в процессах получения карбоната и гидроксида натрия (размер частиц от 0,03 мкм до 10 мкм с малым разбросом по размерам). К преимуществам этого наполнителя - относится белый цвет, низкая твердость, широкий Измельченный Мел (карбонат кальция, CaCO3)интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в  широком интервале температур. Для улучшения реологических свойств и смачивания поверхность мела часто обрабатывают стеариновой кислотой, стеаратом кальция или аппретами, что способствует также лучшему распределению частиц мела в матрице полимера. В качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе ПВХ (в жестких и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препеги).

 

Каолинит (белая глина)Каолин (белая глина - гидратированный силикат алюминия) - получается из минерала каолинита путем его измельчения. Используется двух видов — очищенный и прокаленный, у которого удалена гидратационная вода. Частицы каолина имеют структуру пластинчатых чешуек, отличаются высокой степенью белизны; они плохо диспергируются в большинстве полимеров. Из-за большой величины площади поверхности введение каолина способствует Измельченная белая Глиназначительному повышению вязкости. Для повышения способности к диспергированию и достижения максимального упрочняющего эффекта поверхность частиц обрабатывают модифицирующими агентами (например, ПАВ). Каолин применяется при наполнении термопластов для придания повышенных значений модуля упругости при растяжении, а также для улучшения электрических свойств; в производстве армированных волокнами пластиков на полиэфирных связующих для повышения вязкости (размер частиц менее 40 мкм), а также для повышения объемного электрического сопротивления и водостойкости (прокаленный каолин, связующее - фенолформальдегидный олигомер).

 

Тальк (гидратированный силикат магния)Тальк (гидратированный силикат магния) - получается из ряда природных пород путем обогащения, дробления, измельчения (тонкого помола) и фракционирования. Представляет собой тонкоизмельченный порошок белого цвета с пластинчатыми частицами различного размера (от 10 мкм до 70 мкм). Благодаря пластинчатой форме частиц тальк придает наполненным материалам повышенную жесткость - при одинаковой степени наполнения (40%) тальк увеличивает жесткость полипропилена в 3 раза, а мел - в 2 раза. Применение талька при правильном подборе дисперсного состава, поверхностной обработки позволяет избежать характерной для Измельченный Тальк (гидратированный силикат магния)наполнения дисперсными частицами снижения стойкости к ударным нагрузкам. Низкая твердость (1 по шкале Моса) снижает абразивный износ при переработке тальконаполненых термопластов. Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.

 

Кварц (диоксид кремния, SiO2)Кварц (диоксид кремния, SiO2). Существует ряд модификаций диоксида кремния аморфной и кристаллической структуры, используемых в качестве дисперсных наполнителей. Часть из них имеет минеральное происхождение и получается на основе природного сырья (кварцит, трепел, диатомит, новакулит), часть получается синтетическим путем (пирогенетический, осажденный диоксид кремния). Эти модификации отличаются по своему химическому составу, форме и размеру частиц, стоимости, областям применения.

 

Кварцевая мука представляет собой измельченный кварцит со средним размером частиц от 5 до 150 мкм (чистый Кварцевая мукакварцевый песок). Из-за относительно высокой твердости характеризуется повышенным износом технологического оборудования. При высоких степенях наполнения повышает хрупкость. Широко применяется для наполнения термопластов конструкционного назначения, а также реактопластов с повышенными механическими и электрическими характеристиками.

 

Плавленый КварцПлавленый кварц - аморфный стеклообразный диоксид кремния, получаемый путем измельчения расплавленного в дуговых печах кварцевого песка. Как правило, имеет довольно широкий гранулометрический состав. Характеризуется более низкой плотностью и малым термическим коэффициентом линейного расширения.

Используется при получении материалов, стойких к тепловым ударам, обладающих повышенной стабильностью размеров и высокими прочностными показателями.

 

Микрокристаллический кварц получается из ряда минералов класса трепелов путём измельчения и дробления породы. В зависимости от назначения выпускается в виде фракций с различным размером частиц. Характеризуется Микрокристаллический Кварцвысокой белизной, минимальным содержанием примесей, меньшей образованностью по сравнению с другими видами SiO2 и хорошей диспергируемостью в полимере. Находит широкое применение в клеевых составах, в отверждающихся компаундах и герметиках на основе полиуретанов, эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Используется также в качестве наполнителя полипропилена, ПЭТ, ПБТ, полиамидов, полисульфонов и других термопластов. Эти материалы характеризуются более высокой текучестью (при равной степени наполнения по сравнению с другими наполнителями), а также возможностью более высокой степени наполнения.

 

Измельченный ДиатомитДиатомит - природный минерал класса опалинов получается путем многостадийного измельчения и фракционирования природной породы осадочного происхождения. В настоящее время наиболее широко используется в качестве добавки, препятствующей слипанию в производстве пленок из полиэтилена низкой плотности.

 

Аэросил - пирогенный диоксид кремния - аморфная форма SiO2, имеющая вид сферических частиц коллоидных размеров (3-10 нм). Характеризуется максимальной удельной поверхностью из всех порошкообразных Аэросил (пирогенный диоксид кремния)наполнителей, величина которой достигает 380 м2/г. Получается в процессе гидролиза тетрахлорида кремния в токе кислородно-водородного пламени. Широко используется в качестве наполнителя; характеризуется выраженным загущающим и тиксотропным эффектом, пониженной склонностью к расслаиванию в композициях. Имеющиеся на поверхности частиц аэросила силанольные группы способствуют образованию системы водородных связей между частицами. Кроме того, силанольные группы обеспечивают возможность эффективной модификации поверхности путем использования разнообразных аппретов силанового ряда и гидрофобизаторов. Широко применяется для регулирования реологических свойств материалов на основе эпоксидных, полиэфирных, силоксановых смол. Недостатком аэросила является его высокая стоимость.

 

Осажденный диоксид КремнияОсажденный диоксид кремния - аморфная форма порошкообразного SiO2 с частицами коллоидальных размеров, получаемая в ходе химических реакций в водной среде; величина удельной поверхности достигает 150 м2/г. Находит применение в производстве материалов на основе ПВХ - как листовых (антиадгезионная добавка), так и пластизолей (как регулятор вязкости). Позволяет получать прозрачные наполненные термопласты. По сравнению с аэросилом значительно дешевле.

 

Полевой шпат и нефелин - близкие по составу безводные алюмосиликаты, получаемые из минерального сырья. Производятся в виде порошков крупной или средней дисперсности (средний размер частиц 5-15 мкм). Благодаря Полевой Шпатотносительно низкой удельной поверхности (1,0-2,5 м2/г), хорошей смачиваемости и диспергируемости в большинстве полимеров они обеспечивают низкую вязкость наполненных композиций даже при высоких степенях наполнения. Близкие значения их показателя преломления к его значению у большинства полимеров (~1,53) позволяет получать прозрачные или полупрозрачные изделия. Благодаря почти в 10 раз большей теплопроводности Нефелиншпата и нефелина по сравнению с полимерами они заметно повышают теплопроводность наполненных систем. При использовании в качестве наполнителей они позволяют достигнуть более высоких механических характеристик по сравнению с карбонатом кальция. В меньшей степени это относится к стойкости к ударным нагрузкам. Их применение оказалось более эффективным при наполнении полярных полимеров (АБС-пластики, полиамиды, полиуретаны), где отмечено повышение жесткости, прочности при изгибе и теплостойкости. Перспективно также их применение для наполнения полиэфирных премиксов, позволяющее повысить содержание дисперсного наполнителя; при этом удается повысить размерную стабильность готовых изделий и существенно снизить расход пигментов.

 

Порошкообразные оксиды металлов (алюминия, железа, свинца, титана, цинка, циркония и др.) а также разнообразные соли (сульфаты, сульфиды, фториды и др.) - находят широкое применение в качестве наполнителей . Однако, как правило, они используются не в массовом порядке, а лишь в отдельных рецептурах для придания тех или иных специальных свойств (химостойкость, теплопроводность, биостойость и т. п.).
К числу наиболее распространенных порошкообразных наполнителей органического происхождения относится древесная мука и углеродные материалы (сажа, графит, кокс).

 

Древесная мукаДревесная мука -  представляет собой тонкоизмельченную и высушенную древесину волокнистой структуры. Она используется для усиления пластмасс. Изготавливается древесная мука преимущественно из мягкой древесины, в основном из сосны и канадской пихты; если нежелательно присутствие древесной смолы, используется твердая древесина ясеня или клена. Древесина, содержащая значительное количество масел, например кедр, непригодна. Древесная мука изготавливается из опилок, щепы и стружки размолом на жерновой мельнице и внешне она похожа на пшеничную муку. Обычно для наполнений пластмасс используется мука с размером частиц 40 (348 мкм), 60 (212 мкм) и 80 (158 мкм) мкм, но выпускается мука и более тонкого помола с размером до 140 мкм (44 мкм). При смешении с пластмассами древесная мука может поглощать некоторое количество компонентов. Ее можно сочетать с минеральными наполнителями для изменения свойств  пластмасс.

Также находит применение мука из скорлупы орехов - миндаля, грецкого, бразильского, лесного, кокосового, арахиса, ореха пекан и др. Эта мука позволяет получать материалы с более высокими твердостью, влагостойкостью и электроизоляционными свойствами.

 

Сажа (технический углерод) - занимает большое место в качестве порошкообразных наполнителей пластмасс. Существует несколько разновидностей саж, отличающихся методом получения и свойствами. Наибольшее распространение получила печная сажа; при контакте с пищевыми продуктами допускается использование только канальной сажи. Значительно менее распространены ламповая и ацетиленовая сажи. Некоторые свойств саж приведены в табл. 4.3.

Сажа (технический углерод)Важнейшими характеристиками, определяющими область применения саж и их эффективность, являются интенсивность черного цвета (которая обратно пропорциональна размеру частиц), и их структурность (способность образовывать цепочные структуры). С уменьшением среднего размера частиц нарастает вязкость наполненных систем. Поэтому в качестве наполнителей пластмасс используются крупнозернистые сажи, а также сажи, имеющие низкую структурность. Сажа может также выполнять функцию светостабилизатора, защищая полимер от УФ-излучения. Кроме того, важной функцией сажи является придание электропроводящих свойств, способствующих стеканию статического электрического разряда. Оптимальное сочетание свойств достигается соответствующим выбором сажи, ее концентрации и правильным диспергированием. Кроме сажи в качестве углеродсодержащих наполнителей находят применение тонкоизмельченный кокс, антрацит и графит.

Кокс и антрацит - используют в виде мелкодисперсной фракции (пыли), образующейся при их измельчении в ходе технологических процессов их получения.

 

ГрафитГрафит - представляет собой минерал, имеющий слоистую структуру; может быть получен искусственным Измельченный Графитпутем из антрацита при нагревании без доступа воздуха. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью. В качестве наполнителя используется аморфный графит в тонкоизмельченном виде (коллоидный графит). Основное преимущество графита в качестве наполнителя - снижение коэффициента трения благодаря присущей ему слоистой структуре.

 

Материалы растительного происхождения - для наполнения пластмасс используется измельченная лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, стебли сахарного тростника и другие виды отходов сельского хозяйства, как правило, после сушки и измельчения. Их применение представляет особый интерес а связи с проблемой утилизации использованных полимеров, носящей глобальный характер. Применение растительных отходов позволяет получать биодеструктируемые материалы, которые постепенно разлагаются и усваиваются при контакте с микроорганизмами и бактериями почвы. Это послужило причиной повышенного интереса к применению в качестве наполнителей пластмасс крахмала - важнейшего компонента в большинстве зерновых культур и картофеля, а также хитина - материала скорлупы большинства ракообразных, добываемых ежегодно в количестве нескольких миллионов тонн.

 

Кукурузный КрахмалКрахмал - в промышленных масштабах получают из кукурузы, картофеля, риса, тапиоки и пшеницы. В качестве наполнителя пластмасс его предлагается использовать для придания им способности подвергаться биологическому разложению. Крахмал легко получается из перечисленных растений в виде тонкой пудры, состоящей из сферических или эллипсоидальных зерен размером от 3 до 100 нм. Как правило, он нерастворим в холодной воде, спирте, эфире и образует студень с горячей водой. Плотность его 1499—1513 кг/м3. Крахмал не плавится, разлагаясь или сгорая при нагревании.

Крахмал подвержен биологическому и окислительному разрушению, поэтому он представляет интерес как наполнитель для биологически разлагающихся пластмасс. Зарытые в землю, они разлагаются под действием ферментов и кислорода. Хотя крахмал не растворяется в холодной воде, он быстро разрушается амилазой, и возникающая при этом пористость полимера создает благоприятные условия для его разрушения.

Крахмал достаточно стоек к нагреванию в процессе переработки полимеров и в отсутствие влаги его успешно удается сочетать с полиэтиленом низкой плотности, полипропиленом и полистиролом. Процесс переработки наполненных крахмалом полимеров и их свойства весьма удовлетворительны.

 

Хитин - основа панцирей большинства ракообразных (раки, креветки, лангусты и др.). По своей химической структуре близок к целлюлозе и только ей уступает по распространенности в природе. Он имеет Хитинкристаллическую структуру, его молекулярная масса 50 000-70 000. Основной источник получения хитина - панцири крабов, креветок, криля и других ракообразных. Содержание хитина в различных видах сырья колеблется от 10 до 30%. После химическом обработки, в результате которой панцири очищаются от животных белков и минеральных солей (в первую очередь - карбонат кальция), материал отмывается и измельчается. В очищенном виде представляет собой белый порошок или хлопья размером до 2 мм. Как и крахмал, при попадании в почву разрушается.

 

ХитозанХитозан - получается на основе хитина в результате его деацетилирования при обработке щелочью, содержащий помимо гидроксилов в каждом глюкозидом звене одну аминогруппу. По своему строению и химическому составу хитозан близок к целлюлозе, что проявляется и в близости их свойств. После тщательной отмывки хитозан подвергается сушке при температуре не выше 55 °C и измельчению. По внешнему виду представляет собой чешуйки размером до 10 мм или порошок различной дисперсности (о зависимости от области применения). Хитозан - гигроскопичный материал, склонный к слеживанию при хранении.

Хитин и хитозан относятся к биоразлагаемым наполнителям, которые достаточно быстро разлагаются на воздухе при контакте с микроорганизмами.

 

Металлические порошки - находят все более широкое применение в качестве дисперсных наполнителей. Такие наполнители, сравнительно мало влияя на прочностные характеристики наполненного материала, позволяют в широких пределах изменять тепло- и электропроводность, теплоемкость, магнитные характеристики, электрические свойства, а также придавать материалам ряд новых свойств защиту от электронного и проникающего излучения, изменение плотности, горючести и т. д. В качестве дисперсных наполнителей чаще всего используются медь, алюминий,  железо, бронза, олово, серебро, свинец, цинк.

Металлический порошокИспользование металлических порошков требует учета их специфических особенностей. Наиболее широко распространены порошки меди, железа, алюминия, цинка покрыты оксидной пленкой; во многих случаях поверхность порошков покрыта смазками, используемыми в процессе получения порошков. Такие пленки могут затруднять непосредственный контакт «материал - полимерная матрица» и препятствовать достижению необходимых прочностных, электрических и магнитных свойств. Вместе с тем в ряде случаев поверхность специально покрывают аппретами (чаще всего силановыми, например на основе γ-глицидоксипропилтриметилоксисилана) для повышения адгезионного взаимодействия на поверхности раздела и уменьшения адсорбции влаги.

Адсорбция влаги на поверхности металлических порошков оказывает существенное влияние на свойства наполненных материалов, поэтому металлические наполнители также рекомендуется тщательно высушивать.

Как известно, многие металлы в контакте с полимерными матрицами обладают способностью катализировать или ингибировать химические реакции, что может сказываться на скорости и глубине протекания процессов отверждения, деструкции. В некоторых случаях это вызывает необходимость в предварительной обработке поверхности металлического порошка в целях создания на ней защитной пленки (например, в виде слоя лака).
Из-за значительных различий в плотностях полимерных матриц и металлов существует опасность гравитационного нарушения равномерности распределения частиц наполнителя по высоте. Такая опасность реально возникает при работе с низковязкими олигомерными связующими (пасты, премиксы).

Существенное влияние на свойства материалов, наполненных металлическими порошками, оказывают их размер и форма. Основная масса металлических порошков имеет диаметр 40-50 мкм, однако в отдельных случаях их размеры могут меняться от 5 до 300 мкм. В зависимости от метода получения частицы порошка могут иметь различную форму: от сферической до игольчатой. При этом почти всегда имеется возможность выбора размера и формы частиц. Плоские частицы способствуют получению материалов с приятной окраской, частицы продолговатой формы придают материалам повышенные прочностные и ударные характеристики. Достижение максимальных концентраций металлических наполнителей требует использования частиц различной формы и размеров, а их значения определяются способами получения и переработки наполненных полимеров, точнее - ограничениями значений их вязкостей.

Следует иметь в виду, что при высоких концентрациях наполнителя возникает возможность контакта частиц наполнителя между собой. Как правило, в этом случае свойства материала (электро- и теплопроводность) меняются скачкообразно, и это может служить критерием, ограничивающим содержание наполнителя. Области применения полимеров, наполненных металлическими порошками, чрезвычайно многочисленны и разнообразны.

 

Магнитные наполнители - особая группа наполнителей, которая используется для придания полимерным материалам магнитных свойств. Основную массу таких наполнителей составляют оксидные изотропные ферриты бария и стронция, к которым в последнее время добавились также порошки из легированных сплавов редкоземельных металлов с железом и бором (Nd2Fe11B), а также бинарные сплавы самария и кобальта (CmCo5,CmCo17). Однако последние, несмотря на высокие магнитные характеристики, находят ограниченное применение из-за высокой стоимости.

Для получения необходимых магнитных характеристик содержание магнитных наполнителей в полимерных магнитах достигает 88-92 %масс; при этом дисперсный состав должен быть достаточно широким, однако магнитные характеристики (например, коэрцитивная сила) увеличиваются с уменьшением размера частиц до определённого предела (~1-4мкм). Все применяемые магнитные наполнители характеризуются достаточно высокой твердостью, и их измельчение до требуемых размеров сопряжено со значительными трудностями. Наибольшей эффективностью обладают частицы продолговатой формы, обеспечивающие более высокий уровень намагничивания. Некоторые характеристики таких наполнителей приведены в табл. 4.4.

В ряде случаев для повышения некоторых характеристик наполненных материалов (в первую очередь химстойкости) в качестве наполнителей находят применение порошкообразные полимеры, такие как ПВХ, ПЭ, полиформальдегид, политетрафторэтилен и др. В сочетании с другими порошкообразными и волокнистыми наполнителями они могут способствовать улучшению таких характеристик, как износостойкость, коэффициент трения, диэлектрические характеристики. Их эффективность повышается, если в процессе получения и переработки наполненного материала температура не превышает их температуру плавления и они сохраняются в виде частиц самостоятельной фазы.

Несколько слов необходимо сказать о группе порошкообразных наполнителей, занимающих особое место благодаря их пластинчатой структуре. Это такие материалы, как тальк, графит (о них см. выше), дисульфид молибдена, нитрид бора и некоторые виды глин. Эти наполнители обладают высокой анизотропией свойств, что приводит при условии создания ориентации их частиц в материале к формированию значительной анизотропии свойств — теплопроводности, электрической прочности и др.

 

Измельченный дисульфид Молибдена (MoS2)Дисульфид молибдена (MoS2) - обладает низкой твердостью, применяется в высокодисперсном виде (размер частиц менее 1 мкм) для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости. В наполненных дисульфидом молибдена материалах повышается теплопроводность (до 300%), снижается коэффициент линейного расширения; обладает высокой термостойкостью, его плотность около 4800 кг/м3.

 

Нитрид бора (BN3) - используется в виде частиц графитоподобной α-модификации, анизотропия коэффициента линейного расширения ~13, коэффициента термического расширения ~100. Придает наполненным материалам способность работать без смазки, существенно увеличивает теплопроводность. Хорошо диспергируется в расплавах и пастообразных композициях.

К дисперсным наполнителям относятся также ряд веществ, вводимых в полимерные материалы в целях снижения их горючести. Наиболее широкое применение в качестве антипирена находят оксид сурьмы, Sb2O3, однако, как правило, он используется не в чистом виде, а в сочетании с органическими галогенсодержащими соединениями. Для этих целей находит широкое применение также гидроксид алюминия Al(OH)3, однако разложение при температуре выше 220°C ограничивает его применение в термопластах с относительно высокой температурой переработки. Поэтому он применяется главным образом для наполнения реактопластов, в первую очередь на основе олигоэфирных связующих. Аналогичную роль могут играть порошкообразные соли (карбонаты и бикарбонаты, бораты, сульфаты силикаты, фосфаты и другие), оксиды металлов (Mo), комплексы солей металлов с аммиаком (например, Co(NH3)6Cl13 и др.). Следует отметить, что наполнители-антипирены могут вводиться вместе с другими порошкообразными наполнителями, а в ряде случаев могут выполнять и те и другие функции.


Волокнистые наполнители

 

Волокнистые наполнители среди всех наполнителей занимают второе место после дисперсных по частоте применения. Они применяются в виде нитей, жгутов, ровингов, при создании конструкционных, высокопрочных и высокомодульных полимерных композитов. Волокнистые наполнители получают из металлов (железа, вольфрама, титана, молибдена), кварца, базальта, керамики. Наибольшим распространением пользуются стеклянные, углеродные, базальтовые, борные и полимерные волокна диаметром 5-100 мкм, круглого и профильного сечений. Также особый интерес представляют монокристаллические волокна (нитевидные кристаллы), полученные из металлов, их окислов, карбидов, нитридов. Их отличительной особенностью является исключительно высокий модуль упругости и прочность при растяжении.

Эффективность применения волокон в пластике возрастает с увеличением их длины. Существует понятие критической длины волокна Lкр, до которой напряжение, воспринимаемое собственно волокном в пластике, возрастает и при L = Lкр становится равным прочности волокна. При разрушении пластика, наполненного волокном L < Lкр наблюдается выдёргивание коротких волокон из полимерной матрицы, т.е. пластик разрушается по границе волокно - полимер. Волокна с L > Lкр сами разрушаются и полностью реализуют всю прочность в полимерной матрице. Прочность полимера, наполненного волокном L > Lкр значительно больше, чем для волокон с L < Lкр. Критическая длина волокон в зависимости от их природы меняется от 100 мкм (углеродное волокно) до 400 мкм (стеклянные волокна).

Волокна длиной 3-12 мм (короткие волокна) используют для получения конструкционных литьевых и экструзионных термопластичных материалов; длиной менее 1-2 мм - заливочных отверждающихся компаундов с малой усадкой; длиной от 15 до 70 мм (длинные волокна) - пресс-материалов (волокнитов и премиксов на основе фенолоформальдегидных и полиэфирных смол); непрерывные волокна (L → ∞) используют для создания высокопрочных, высокомодульных конструкционных ПКМ.

Основные виды волокон (углеродные, стеклянные) выпускаются круглого сечения диаметром 8-20 мкм, а также треугольного, ромбического и других форм сечения. Непрерывные волокна, имеющие форму сечения отличную от круглой, называются профильными (рис. 1). Применение волокон различных профилей позволяет уменьшить плотность пластиков, увеличить удельную жёсткость и прочность при сжатии, повысить теплоизолирующие и диэлектрические свойства. Что в свою очередь дает возможность увеличить плотность упаковки волокон в композиции и повысить прочность пластика. Также производятся полые волокна, которые позволяют снизить плотность композиционного армированного материала.

 

Формы сечения профильных волокон
Рис. 1. Формы сечения профильных волокон (приведены ориентировочные размеры в мкм).

 

В зависимости от соотношения механических свойств полимеров и наполнителя, а также размера волокон и характера взаимодействия полимера с наполнителем - волокно может проявлять свойства как дисперсных, так и армирующих наполнителей, которые обладают лучшими упрочняющими свойствами.

Содержание волокнистых наполнителей в термопластах составляет обычно 15-40%, в реактопластах - 30-80% от массы полимера.

Для улучшения адгезии на границе волокно - полимер, выпускаемые волокна аппретируются. В качестве аппретов чаще всего используют кремнийорганические и металлсодержащие органические соединения.

Волокнистым наполнителям можно придать и зафиксировать различную структуру. По структуре волокнистые наполнители классифицируются на четыре группы: однонаправленные непрерывные, тканевые, объемного плетения и нетканые (рис. 2). Таким способом можно получить первичные кручёные нити, ленты и различные типы армирующих наполнителей - ровинги (жгуты), ткани, плёнки, бумагу, холст, сетки и др.

Основыные виды волокнистых наполнителей
Рис. 2. Основыные виды волокнистых наполнителей.

 

Стеклянное волокноСтеклянные волокна являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве армирующего наполнителя. Основными достоинствами этих волокон являются низкая стоимость, простота производства и переработки, а также высокая прочность при условии осторожного обращения с ними после вытяжки, хотя, в любом случае, процессы рубки волокон и формирования изделий из наполненных композиций, неизбежно сопровождаются разрушением некоторой части волокон. При всех достоинствах, стеклянные волокна имеют два существенных недостатка, первый - низкая жесткость, что требует усиления элементов конструкций из стеклопластиков и препятствует полной реализации прочности волокон, и второй недостаток - значительная потеря прочности при увеличении влажности среды или непосредственном контакте с водой. При этом даже путем длительной сушки в вакууме не удается достичь полной десорбции влаги с поверхности волокон и как следствие - восстановить изначальную прочность материала.

На данный момент разработно большое количество разнообразных марок стекол, волокна из которых обладают улучшенными характеристиками - повышенной прочностью, химической и электрической стойкостью и т.д. Основной объем стеклянных волокон производят из алюмоборосиликатного стекла типа «E», высокопрочного стекла типа «S» и высокомодульного стекла типа «ВМ-1».

 

Углеродные волокна значительно более жесткие, а поскольку по прочности они не уступают лучшим стеклянным волокнам, напряжения, которые выдерживают материалы на их основе, значительно выше, чем в случае стеклопластиков при меньших допустимых деформациях. Эти волокна, также как и стеклянные, производятся непрерывным способом и технология производства изделий из материалов на их основе незначительно отличается от технологии изготовления изделий из стеклопластиков.

Из свойств углеродных волокон стоит особо отметить – высокую прочность и модуль упругости при растяжении и изгибе по сравнению со стеклопластиками, малую плотность, высокую электропроводность, низкие коэффициенты трения и термического расширения. А также сравнительно высокую химическую и коррозионную стойкость при обычных условиях, однако под воздействием сильных окислителей и галогенов их стойкость значительно уменьшается (особенно при повышенных температурах). Это свойство используется для обработки поверхности высокомодульных волокон, с целью повышения межслоевой прочности, малое значение которой представляло серьезную проблему в первые годы создания карбопластиков. Обычно углерод и графит стойки к воздействию щелочных растворов при всех концентрациях и температурах, а также водных растворов большинства неорганических солей вплоть до температуры их кипения. Углеродные волокна при 50 °C  существенно не снижают прочности или модуля упругости под действием следующих реагентов: 50% (об.) соляной, серной и азотной кислот, раствора едкого натра, гидрофосфорной и ортофосфорной КИСЛОТ. При 20 °С волокна стойки к действию ледяной уксусной кислоты, 90% (масс.) муравьиной кислоты, 32%-ной бензолсульфоновой кислоты и 0,880 M водного раствора аммиака. Углеродные волокна легко реагируют с большинством расплавов металлов.

Серьезным недостатком композитов на основе высокомодульных углеродных волокон является очень малая межслоевая прочность при сдвиге, не превышающая 14 - 28 МПа. Для повышения этого важного показателя до 70 МПа были разработаны методы обработки поверхности волокон, заключающиеся обычно в их окислении или галогенировании.

Также, при создании конструкций требующих повышенной стойкости к ударным нагрузкам, необходимо учитывать, что ударная вязкость композитов с углеродными волокнами обычно мала.

 

Борные волокнаБорные волокна характеризуются уникальным сочетанием свойств – высокой прочностью и жесткостью и в то же время низкой плотностью, что резко отличает их от других волокнистых наполнителей композиционных материалов. Материалы на основе борных волокон обладают значительно более высокими показателями механических свойств, чем материалы на основе стеклянных и углеродных волокон. Также обладают  более высокими механическими характеристиками (за исключением прочности при сдвиге), чем алюминиевые и титановые сплавы. Ближайшим конкурентом борных волокон являются углеродные волокна.
Разрушающее напряжение при сжатий материалов на основе борных волокон в 3 раза выше, чем композиционных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон.

Борные волокна находят широкое применение в производстве композиционных материалов на основе эпоксидной и алюминиевой матриц. КМ на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ перед аналогичными материалами на основе эпоксидной матрицы. Так, они могут работать до температур около 370 °C, а перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургическом производстве.

В настоящее время промышленность выпускает борные волокна различного диаметра, наибольшее распространение получили волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Стремление к снижению стоимости борных волокон обусловило освоение производства волокон большого диаметра.  Волокна с большим диаметром применяются в производстве композиционных материалов на основе металлических матриц для достижения оптимального сочетания свойств. На начальной стадии разработок боралюминиевых композитов было установлено, что при использовании волокон диаметром 100 мкм наблюдается их расщепление при приложении нагрузки в направлении, перпендикулярном оси ориентации волокон, что обуславливает низкую трансверсальную прочность таких материалов. При использовании волокон диаметром 140 мкм расщепления не происходит.

Хотя, рубленные углеродные и борные волокна обеспечивают потенциально более высокую прочность, жесткость и долговечность материала на их основе, но достигаются эти характеристики за счет более высокой стоимости и сложности производства, и поэтому они пока не могут составить серьезную конкуренцию стеклянным и асбестовым волокнам.

 

Асбестовое волокно является ближайшим конкурентом стеклянного волокна, поскольку оно также дешево и помимо высокой Асбестпрочности обладает более высоким, чем стеклянные волокна, модулем упругости, выдающейся термо- и химической стойкостью. Широко используется в ПКМ для увеличения прочностных характеристик, для создания химически стойких материалов и теплоизоляционных материалов.

Асбестовые волокнаАсбестовые волокна значительно тоньше и короче, чем стеклянные, и поэтому с ними труднее работать, хотя разработаны специальные методы их переработки и промышленностью выпускаются полимеры, армированные асбестовыми волокнами - асбопластики. Также к его недостаткам, как наполнителя можно отнести снижение ударных характеристик и придание темного цвета.

Еще одним типом волокон, которые могут рассматриваться как серьезный конкурент перечисленным выше типам волокон, являются волокна из ароматических полиамидов типа Кевлар. Нитевидные монокристаллы, например из Al2O3, Si3N4, SiC, обладают наибольшей прочностью, однако они слишком дороги и с ними слишком трудно работать, чтобы можно было использовать их в промышленных масштабах.

 

Базальтовые волокнаБазальтовые волокна имеют практически все положительные свойства стеклянных волокон, но отличаются при этом еще рядом преимуществ. Так, для них характерны более высокие тепло- и щелочестойкость, а при сочетании с эпоксидными связующими - более прочное адгезионное сцепление по границе раздела волокно - связующее. Установлено, что прочность и модуль упругости волокон из природного базальта соизмеримы с аналогичными показателями для волокон из стекла типа «E», полученных и испытанных в лаборатории в тех же условиях.

Базальтовые волокна в своем составе содержат оксиды железа, в результате чего имеют коричневый цвет, что в отдельных случаях может ограничивать их применение.

Эффективность базальтовых волокон как армирующего наполнителя полимерных материалов была изучена на эпоксидных связующих - эпоксидной смоле Эпон-828 (аналог смолы ЭД-20), отверждаемой μ-фенилендиамином. Результаты исследования показали, что базальтовые волокна могут успешно заменять стеклянные волокна во всех случаях, когда к окраске материалов не предъявляется особых требований. Прочность сцепления базальтовых волокон с эпоксидной матрицей несколько выше прочности сцепления волокон из стекла типа «E» с той же эпоксидной матрицой. Это справедливо как для волокон с необработанной поверхностью, так и для волокон, обработанных кремнийорганическим аппретом (Силан А-1100 γ-аминопропилтриметоксисилан). Более высокая адгезионная прочность волокон с матрицей, наблюдаемая в случае базальтовых волокон, обработанные аппретом, способствует достижению  более высокого модуля упругости и разрушающего напряжения при растяжении в ПКМ на их основе.

Приведенные данные показывают, что композиционные материалы на основе стеклянных и базальтовых волокон во многом похожи по своим свойствам. Для материалов на основе обоих типов волокон характерна практически одинаковая прочность при растяжений. Так как модуль упругости материалов на основе базальтовых волокон несколько выше, чем стеклянных, в ряде случаев использование базальтовых волокон является более целесообразным. Помимо использования их в качестве армирующих наполнителей для пластмасс базальтовые волокна находят широкое применение в других областях техники. Из них изготавливают воздушные фильтры, теплоизоляционные материалы, работающие при высоких температурах, вибро- и звукопоглощающие материалы, минеральную бумагу и картон. Базальтовые волокна используют в качестве армирующего наполнителя бетонов, а также применяют в производстве строительных материалов для замены асбеста.

 

Металлические волокна как усиливающие наполнители для полимеров обладают двумя характерными особенностями – это свойства, присущие металлам и возможность строго контролировать форму поперечного сечения волокон и их размеры.  Обладают высокими механическими характеристиками и по некоторым параметрам, не уступают минеральным волокнам. Форма и размеры металлических волокон определяют возможность и способ их вторичной переработки - текстильной или методами, применяемыми при производстве бумаги. Первым способом получают - пористые волокнистые листовые материалы. Вторым способом получают - жгуты, пряжу, нити, нетканые материалы, плетеные и тканые изделия.

Металлические волокна изготавливают из различных металлов и сплавов, и их свойства в решающей степени определяются условиями получения и термической обработки. Промышленность выпускает широкий ассортимент металлических волокнистых наполнителей, способных удовлетворить любым требованиям, возникающим при изготовления металлополимерных композиций.
 
Преимущества металлических волокон заключены в особенности их свойств, таких как тепло- и электропроводность, магнитные свойства, которые реализуются в упрощении процессов изготовления композитов или создании композитов с необычным сочетанием свойств. Сочетание металлических волокон с полимерной матрицей производится при необходимости обеспечить определенные свойства композитов, присущие только металлам, или при необходимости использовать волокна с определенной геометрией, возможной только в случае металлических волокон.

Недостатками металлических волокон являются высокая стоимость и плотность. Стоимость различных видов металлических волокнистых наполнителей сильно различается и определяется стоимостью исходного металла, диаметром и длиной волокон, типом вторичной переработки и дополнительными требованиями к их свойствам.

Свойства металлических волокон определяются как исходным материалом, так и технологией изготовления. Форма волокон, однородность их сечения, шероховатость поверхности и ее состав определяются технологией производства волокон, тогда как их химические, физические и механические свойства практически не отличаются от свойств исходного материала.

 

Органические наполнители - обычно представляют собой вещества растительного происхождения, доступные в больших количествах и по низкой цене. Большинство из них, например, хлопок и растительные волокна, имеют волокнистую структуру и состоят в основном из целлюлозы с небольшим количеством лигнина и других соединений. Некоторые не имеют волокнистого строения или являются веществами животного происхождения. В настоящее время в качестве органических наполнителей используются также синтетические органические материалы,  главным образом органические волокна.

Как и все другие наполнители, органические наполнители придают новые свойства полимерным композициям на их основе. Наполнители растительного происхождения обычно имеют более низкую стоимость, чем полимеры, с которыми они смешиваются, и это является основным стимулом их использования. Эти наполнители, также как и наполнители синтетического происхождения, позволяют улучшать процессы переработки и модифицировать в желаемом направлении свойства  конечного продукта.

Основные причины использования органических наполнителей для полимеров, как и многих других добавок – это снижение стоимости материалов, улучшение их физических, химических и электрических свойств, а также  условий переработки. По мере развития промышленности пластических масс было опробовано применение в качестве наполнителей самых различных органических материалов - дешевых и доступных в значительных количествах. Основными классами этих материалов являются древесная мука, молотая скорлупа орехов, хлопковые и другие растительные волокна, состоящие в основном из целлюлозы с некоторым содержанием лигнина, а также крахмал и белоксодержащие материалы растительного или животного происхождения. Не все эти материалы нашли широкое применение, но некоторые из них придают полимерам требуемые свойства и широко используются. В последнее время в качестве органических наполнителей стали использоваться также различные синтетические волокна.

Каждый класс органических наполнителей отличается многообразием состава и формой частиц. Ниже перечислены наиболее широко применяемые типы органических наполнителей – природные и синтетические.

Древесная мука. Из мягкой древесины: сосны желтой, сосны белой, ели обыкновенной, пихты Дугласа, канадской пихты, секвойи; из твердой древесины: ясеня, бука, березы, клена, дуба, из коры ели; из опилок, стружек, щепы; из опилок, обработанных каучуком.

Молотая скорлупа орехов: миндаля, абрикосовых косточек, бразильского ореха, ореха гумбанг, кокосового ореха, лесного ореха, арахиса, ореха пекан,  грецкого ореха.

Хлопковые волокна: хлопковые очесы, хлопчатобумажная ткань и хлопковый корд на основе штапельных волокон; короткие волокна; шелуха хлопковых семян; целлюлозные волокна.

Растительные волокна: конопля, копра, джут; волокно рами; сизаль.

Другие материалы: отходы хмеля, уголь, антрацитовая пыль, бурый уголь, кокс; пробка дробленая; какао-бобы; кочерыжки кукурузных початков; кукурузная солома; мякоть цитрусовых (высушенная); льняная костра; отходы производства фурфурола; конопляная костра; кератин - птичьи перья, копыта, свиная щетина; кожа; молочай; торф; соевая мука; крахмал - кукурузный, картофельный, рисовый, из тапиоки, пшеничный, пшеничная солома, шерстяные волокна.

Синтетические материалы: регенерированная целлюлоза (вискозная ткань, целлофан; полиакрилонитрильные волокна (Орлон, Дайнель); алифатические полиамидные (нейлоновые) волокна; ароматические полиамидные (арамидные) волокна; полиэфирные волокна (Дакрон); политетрафторэтиленовые волокна (Тефлон); поливинилспиртовые волокна и др.


Листовые наполнители

 

Листовые и слоистые наполнители, к которым относятся ткани, холсты, сетки, бумага, пленки, ленты, фольга, шпон и др., находят широкое применение в производстве плоских и крупногабаритных изделий из ПКМ.

Ткани - получают в процессе ткацкого производства путем переплетения взаимно перпендикулярных продольных (основы) и поперечных (утка) стеклянных волокон диаметром 3-100 мкм. В зависимости от типа чередования нитей различают полотняное, саржевое, сатиновое переплетение; также, в определенных случаях могут использоваться многослойные и трикотажные ткани. Кроме типа плетения, ткани характеризуются плотностью (количеством нитей на 1 см2), толщиной и впитывающей способностью. Ткани изготавливаются в основном из крученых нитей, однако для  изготовления тканей используются также жгуты (стеклянные, углеродные). Такие ткани хорошо формуются и позволяют регулировать анизотропию свойств в изделиях.
В производстве различных видов изделий используют ткани из хлопковых, льняных, асбестовых, базальтовых, углеродных, стеклянных волокон, а также ткани на основе синтетических, в том числе высокопрочных углеродных волокон.

Свойства получаемых слоистых пластиков определяют: толщина, прочность и ее проницаемость для связующего раствора. Поэтому в производстве текстолита и стеклотекстолита чаще всего используют ткани полотняного и сатинового переплетения, а для изготовления изделий неправильной формы, получаемых методами прессования или штамповки, используют ткани с большей подвижностью нитей (например, атласного или трикотажного плетения). Увеличение плотности тканей ведет к повышению прочности при растяжении, но одновременно снижается прочность при межслоевом сдвиге.

Основными потребителями тканых наполнителей являются производство текстолита, стеклотекстолита и конструкционных изделий из стекло- и углепластиков, а также органопластиков.

Бумага - представляет собой слоистый материал из хаотически распределённых волокон, скрепленных связующим. Преимуществом материалов на основе бумаги является низкая стоимость, гладкая поверхность, легко регулируемая толщина, возможность изменения формы и размеров.

Бумаги, применяемые в качестве наполнителя, производятся главным образом из различных видов сульфатной целлюлозы; кроме того, для изготовления бумаги могут использоваться сульфитная целлюлоза, хлопковая целлюлоза, а также древесная масса. Бумаги отличаются по толщине, прочности, впитывающей способности и массе 1 м2. Основные области применения бумаги в качестве наполнителя - производство декоративных бумажно-слоистых пластиков (ДБСП) и производство электротехнического гетинакса,а также для изготовления сотового заполнителя при производстве сэндвич-панелей, в основном в самолето- и судостроении.

В производстве ДБСП применяют два вида бумаг - для внутренних слоев (крафт-бумага) и для наружных декоративных слоев (бумага-оверлей). Эти бумаги имеют существенные различия как в требованиях к используемому исходному сырью, так и предъявляемым свойствам. В производстве электротехнического гетинакса также используют два вида бумаг, что связано с различной технологией получения листового материала и изделий в виде труб и цилиндров. Такими сортами являются пропиточная и намоточная бумаги, отличающиеся впитывающей способностью.

В последние годы в связи с повышением требований к теплостойкости электроизоляционных изделий появились новые сорта бумаг на базе синтетических волокон.

Наряду с тканями и бумагой в качестве наполнителей ПКМ находят применение другие виды тканых и нетканых материалов из нитей и волокон. Для увеличения толщины пакета наполнителей, а также при изготовлении изделий сложной формы находят применение сетки — редкие ткани различного переплетения, в том числе трикотажные, жгутовые. Однако наибольшее распространение для этих целей, а также при изготовлении изделий из армированных пластиков, когда не предъявляются высокие требования к механическим характеристикам, находят маты и холсты из стеклянных, базальтовых, асбестовых и других видов волокон.

Холст - представляет собой полотно из дезориентированных рубленых стеклянных волокон, связанных друг с другом полимерным связующим.

Другой вид нетканых материалов  - иглопробивные холсты, которые получаются при пробивке иглами волокнистого холста; за счет возвратно-поступательного движения игл происходит перепутывание волокон, фиксирующее волокнистую структуру, которая потом закрепляется с помощью связующего.

Стекломаты - это рулонные материалы, состоящие из хаотически расположенных штапельных нитей или волокон. Получают методом раздува стекловолокон, выходящих из фильер, с последующим осаждением на подложку и скреплением стежками, связующим или без него. Стекломаты используют для формирования покрывного слоя, тогда как холсты наряду со жгутовыми тканями обладают рядом технологических преимуществ по сравнению со стеклянными тканями при формировании крупногабаритных изделий. Маты из случайно ориентированных волокон позволяют реализовывать в изделиях двумерную жесткость.

Шпон – листовой наполнитель, представляющий собой тонкий лист материала, имеющего волокнистую структуру, ориентированную в одном  направлении. Так, в производстве дельта-древесины используется шпон из лиственных пород деревьев (в первую очередь березы). Другой разновидностью такого рода наполнителей является стеклошпон, получаемый путем нанесения связующего на непрерывное стекловолокно, выходящее из плавильной печи. Волокно наматывается на цилиндрическую оправку и по достижении необходимой толщины разрезается и снимается в виде листового полуфабриката. Таким материалом в частности является СВАМ.


В качестве слоистых наполнителей в ПКМ также находят применение различные материалы в виде монолитных лент (стеклолента) или полученные путем ткачества - из стеклянных, базальтовых, углеродных и синтетических волокон. Ленточные наполнители значительно расширяют технологические возможности при формовании изделий методами намотки и выкладки, упрощают операции формования всевозможных ребер, отбортовок, местных утолщений и т. д.

Стеклолента как армирующий наполнитель обладает уникальными свойствами. Из этих свойств следует отметить отличные механические (прочность и жесткость), теплофизические  (термический коэффициент расширения), химические свойства (коррозионная стойкость и стойкость к химическим реагентам) и диффузионные характеристики (коэффициент проницаемости).

Наиболее привлекательная сторона использования ленты как армирующего наполнителя, обусловлена исключительно ее геометрией и заключается в изотропном увеличении жесткости и прочности в плоскости ленты.

Жесткость и прочность ленточных композитов в плоскости ленты аналогичны свойствам композитов на основе матов из случайно ориентированных волокон. Материалы, обладающие двумерной жесткостью и прочностью, находят применение в строительстве, в аэрокосмической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности. В частности, ленточные композиты могут иметь преимущества при использовании в элементах конструкции летательных аппаратов, например в крыльях самолетов, в производстве корпусов судов, цистерн, трубопроводов, корпусов автомобилей, шин с ленточным кордом, в качестве армирующих элементов в строительстве и в различных деталях машин.

Указанные преимущества ленты также способствуют уменьшению доли наполнителя в композите и как следствие – снижению стоимости производства, в результате  того, что лента,  в отличии от волокна не требует ориентации для достижения изотропных свойств. Кроме того, благодаря прямоугольному сечению ленты степень наполнения может быть увеличена по сравнению с волокнами. При одинаковых механических свойствах степень наполнения ленточных композитов на 50-60% меньше, чем степень наполнения композитов на основе волокна. Другими словами, ленты, в 2 раза менее прочные, чем волокно, могут обеспечить такую же прочность композита, как композит на основе волокна при их квазиизотропном распределении.

Обычно для изготовления квазиизотропного композита из непрерывного волокна необходимо уложить достаточно большое число слоев однонаправленных жгутов под различными углами, например 0°, ±45°, 90°. Однако в некоторых областях применения, особенно в аэрокосмической промышленности, требуются более тонкие изотропные элементы, чем те, которые могут быть получены описанным способом, поэтому использование ленточных наполнителей становится особенно заманчивым. Толщина однонаправленного жгута составляет 0,05—0,15мм, а для достижения квазиизотропных свойств необходима укладка жгутов как минимум по трем или четырем направлениям, В противоположность этому плоские изотропные ленточные структуры могут быть получены в виде очень тонких листов, поскольку толщина ленты может  быть  доведена до  0,01мм (при использовании специальных марок стекла и могут иметь толщину от 0,0076 мм при ширине до 400-500 мм).
Изотропное упрочнение, обеспечиваемое ленточными наполнителями, обусловлено большим коэффициентом формы ленты (отношение ширины к толщине) аналогично однонаправленному упрочнению композитов на основе волокон.

Композиты на основе ленточных наполнителей имеют меньшее термическое расширение и диффузионные свойства по сравнению с композитами, упрочненными волокнами. Из-за повышенной  жесткости стекла ленты,  достаточно ее небольшой объёмной доли (около 0,3), для того чтобы понизить коэффициент расширения композита на десятичный порядок. Это свойство стеклоленты особенно важно  в тех случаях, когда  необходимо  сохранение стабильности размеров изделий.

Коэффициент проницаемости композитов со стеклолентой для низкомолекулярных веществ также значительно меньше, чем в случае композитов, упрочненных волокнами, вследствие извилистости диффузионного пути, обеспечиваемого большим коэффициентом формы ленты.  Низкая проницаемость является очень важным фактором в таких изделиях из композитов, как контейнеры, сосуды высокого давления и трубопроводы, в  которых хранятся и транспортируются ценные жидкости.

Описанные выше уникальные свойства ленточных композитов реализуются при использовании стеклоленты для армирования пластмассовых труб. Экономичным способом изготовления таких труб может быть намотка ленты с нанесенной на нее матрицей на оправку намоточного станка. Свойства полученных таким образом труб превосходят стальные по всем характеристикам, кроме жесткости, хотя по удельной жесткости они эквивалентны.


Одним из принципиальных недостатков композитов из стеклоленты является высокая чувствительность к дефектам. Наличие отверстий и щелей значительно снижает их прочность. Например: трансверсальная прочность трубы диаметром 50,8 мм c двумя диаметрально противоположными отверстиями диаметром 3,175 мм или бруска со свежеотрезанными краями уменьшается в 2-5 раз из-за концентрации напряжений и наличия вторичных микротрещин вблизи отверстий и надрезов. Травление поверхности около отверстий и надрезов смесью HF с HNO3 уменьшает концентрацию напряжений из-за увеличения радиуса дефекта и восстанавливает прочность до значения, соответствующего бездефектному образцу. Другой способ уменьшения потери прочности заключается в использовании ленты с меньшим коэффициентом формы (около 90).


Кроме стеклянных лент, в последнее время находят применение ленты на основе графита и бора. Возможность получать на подложке графитовые пленки очень малой толщины (0,0025-0,01мм) делает их исключительно интересными для получения тонких листов графитовых композитов, для которых достижение необходимой прочности при использовании волокон недостижимо из-за большой толщины нитей (~0,127 мм). Представляют интерес также борные ленты (пленки), однако до сих пор ожидаемых прочностных показателей у этих пленок достигнуть не удалось.

Значительно более широкое применение находят тканые ленты, в первую очередь из углеродных и стеклянных волокон. Из-за особенностей технологии получения углеродных волокон ленты получают на стадии ткачества исходных поли-акрилонитрильных нитей; в дальнейшем лента проходит все технологические стадии получения углеродных волокон. Такая технология получения лент связана также с хрупкостью углеродных волокон, что препятствует получению лент из уже сформированных углеродных волокон.

В качестве наполнителя в ПКМ могут использоваться также металлические пленки (фольги); однако они, как правило, используются в целях формирования специфических свойств — как токопроводящие жилы (в том числе в ленточных проводах), как проводящие компоненты печатных плат в электротехнике и электронике, для экранирования электромагнитного излучения и для защиты от него в радиотехнических и радиолокационных устройствах.