Los materiales de relleno son partículas añadidas a resina o aglutinantes ( plásticos , composites , hormigón ) que pueden mejorar propiedades específicas, abaratar el producto o una mezcla de ambos. [1] Los dos segmentos más importantes para el uso de materiales de relleno son los elastómeros y los plásticos . [2] En todo el mundo, cada año se utilizan más de 53 millones de toneladas de cargas (con una suma total de aproximadamente 18 mil millones de dólares estadounidenses) en áreas de aplicación como papel , plásticos , caucho , pinturas , revestimientos, adhesivos y selladores . Como tal, los rellenos, producidos por más de 700 empresas, se encuentran entre las principales materias primas del mundo y están contenidos en una variedad de productos para las necesidades diarias del consumidor. Los materiales de relleno superiores utilizados son carbonato de calcio molido (GCC), carbonato de calcio precipitado (PCC), caolín, talco y negro de humo. [3] Los materiales de relleno pueden afectar la resistencia a la tracción, la tenacidad, la resistencia al calor, el color, la claridad, etc. Un buen ejemplo de esto es la adición de talco al polipropileno . [4] La mayoría de los materiales de relleno utilizados en los plásticos son materiales de relleno a base de mineral o vidrio. [4] Las partículas y las fibras son los principales subgrupos de materiales de relleno. Las partículas son pequeñas partículas de relleno que se mezclan en la matriz donde el tamaño y la relación de aspecto son importantes. Las fibras son pequeñas hebras circulares que pueden ser muy largas y tener relaciones de aspecto muy altas. [5]
El carbonato de calcio, denominado "tiza" en la industria del plástico, se deriva de la piedra caliza y el mármol. Se utiliza en muchas aplicaciones, incluidas PVC y poliésteres insaturados. Se puede utilizar hasta un 90% de CaCO 3 para fabricar un compuesto. Estas adiciones pueden mejorar la productividad del moldeo al disminuir la velocidad de enfriamiento. También pueden aumentar las temperaturas de funcionamiento de los materiales y proporcionar aislamiento para el cableado eléctrico. [6]
CaCO 3 se utiliza en masterbatch de relleno como base con un gran porcentaje en su composición. El polvo de carbonato de calcio representa el 97% de la composición y aportará más blancura a los productos blancos/opacos. De esta forma, los fabricantes pueden reducir el uso de masterbatch blanco. Con un porcentaje menor, el polvo de carbonato de calcio se puede utilizar para productos de color. Además, aporta a los productos plásticos finales una superficie más brillante y brillante. [7]
El caolín se utiliza principalmente en plásticos por sus características antibloqueo, así como como absorbente de infrarrojos en el marcado láser. [6] Aumenta la resistencia al impacto y la resistencia al calor. La metakolinita se utiliza para estabilizar el PVC. [6] También se ha demostrado que el caolín aumenta la resistencia a la abrasión y puede reemplazar al negro de carbón como material de relleno y mejorar las propiedades de flujo de las sustancias reforzadas con vidrio. [6]
Talco , un mineral blando y generalmente más caro que el carbonato de calcio . Se deriva de la superposición de láminas de hidróxido de magnesio con sílice. En la industria del plástico, se utiliza para envases y aplicaciones alimentarias debido a su estabilidad térmica a largo plazo. [sesenta y cinco]
La wollastonita tiene una estructura acicular con una gravedad específica relativamente alta y una gran dureza. Este relleno puede mejorar el contenido de humedad, la resistencia al desgaste , la estabilidad térmica y la alta rigidez dieléctrica . La wollastonita compite con sustancias de relleno laminares como la mica y el talco y también puede usarse para reemplazar las fibras de vidrio en la creación de termoplásticos y termoestables. [5]
Los materiales de relleno de vidrio vienen en diversas formas: perlas de vidrio, fibras de vidrio cortas y fibras de vidrio largas. en plásticos por tonelaje. [5] Las fibras de vidrio se utilizan para aumentar las propiedades mecánicas del termoplástico o termoestable , como el módulo de flexión y la resistencia a la tracción. Normalmente, no existe un beneficio económico al agregar vidrio como material de relleno. Algunas desventajas de tener vidrio en la matriz incluyen baja calidad de la superficie, alta viscosidad cuando se funde, mala soldabilidad y alabeo. [5] La adición de perlas de vidrio ayudará con la absorción de aceite y la resistencia química. [6]
Las cenizas volantes de carbón y petróleo de esquisto se han utilizado como relleno para termoplásticos que podrían usarse para aplicaciones de moldeo por inyección . [8]
Los nanofiller tienen un tamaño de partícula inferior a 100 nanómetros . Tienen una alta relación de aspecto y se utilizan principalmente como masillas resistentes a los arañazos y al fuego. [4] Los nanorellenos se pueden dividir en tres grupos: nanoplacas, nanofibras y nanopartículas . Las nanopartículas se utilizan más ampliamente que las nanoplacas y las nanofibras, pero las nanoplacas están empezando a utilizarse más ampliamente. Las nanoplacas son como rellenos laminares convencionales como el talco y la mica, excepto que el espesor es mucho menor. Las ventajas de agregar nanorellenos incluyen la creación de una barrera contra los gases y sus propiedades retardantes de llama. [5]
Las perlas de espuma polimérica pueden tener una densidad aparente tan baja como 0,011 g/cc y su tamaño varía desde 45 micrones hasta más de 8 mm. Los inconvenientes comunes del uso de perlas de espuma polimérica en sistemas formulados incluyen limitaciones de resistencia estática, de temperatura y química y dificultad para lograr una mezcla homogénea dentro de un sistema formulado debido a su densidad aparente extremadamente baja. Sin embargo, estas limitaciones pueden superarse en su mayor parte, si no en su totalidad, mediante el uso de modificaciones de formulación, aditivos y otros tratamientos de superficie. A pesar de estos desafíos potenciales, las perlas de espuma polimérica se pueden agregar a los sistemas formulados cuando se requiere ahorrar peso o costos en un producto terminado.
El relleno de mampostería se usa para reparar grietas y agujeros en paredes exteriores y generalmente se elabora con cemento y cal hidratada . Los fabricantes incluyen Toupret. [9]
Los materiales de relleno de hormigón incluyen grava , piedra, arena y barras de refuerzo . Se utilizan grava, piedra y arena para reducir el coste del hormigón. Las barras de refuerzo se utilizan para fortalecer el hormigón. [10]
La resistencia a la tracción es el método más utilizado para evaluar materiales de relleno. La resistencia a la tracción del compuesto se puede calcular mediante la ecuación
dónde
El módulo de elasticidad ( módulo de Young ) de un polímero relleno se puede encontrar utilizando la siguiente ecuación:
dónde:
Los polímeros con adiciones más pequeñas de carga siguen de cerca esta ecuación. En general, la adición de materiales de relleno aumentará el módulo. Las adiciones de carbonato de calcio y talco aumentarán el módulo elástico , mientras que la adición de materiales de relleno elásticos puede reducir ligeramente el valor. Los materiales de relleno aumentan el módulo debido a su rigidez o rigidez y buena adherencia con la matriz polimérica. [12]
En general, los rellenos aumentarán la resistencia al impacto. Los factores que contribuyen a mejorar la resistencia al impacto son el tamaño de las partículas, la forma de las mismas y su rigidez. Las fibras mejoran más la resistencia al impacto debido a su gran relación de aspecto . Los rellenos de baja dureza disminuirán la resistencia al impacto. El tamaño de partícula, dentro de un rango específico, puede aumentar la resistencia al impacto según el material de relleno. [12]
El volumen de desgaste (W s ) para materiales plásticos se puede calcular:
dónde:
Tanto la matriz como el relleno contribuyen a la resistencia al desgaste. En general, se selecciona un relleno para disminuir el coeficiente de fricción del material. El tamaño y la forma de las partículas son factores que contribuyen. Un tamaño de partícula más pequeño aumenta la resistencia al desgaste porque causan menos desechos. sílice , alúmina , disulfuro de molibdeno y polvo de grafito son cargas comunes que mejoran la resistencia al desgaste. [12]
El relleno puede tener un efecto negativo o positivo sobre la resistencia a la fatiga según el tipo y la forma del relleno. En general los rellenos crean pequeñas discontinuidades en la matriz. Esto puede contribuir al punto de inicio del crack. Si el relleno es frágil la resistencia a la fatiga será baja, mientras que si el relleno es muy dúctil el composite será resistente a la fatiga. La adherencia también es un factor importante que influye en la resistencia a la fatiga. Si la tensión es mayor que la adhesión de las partículas, se formará/propagará una grieta. Los extremos de las fibras son áreas donde las grietas se inician con mayor frecuencia debido a la alta tensión en los extremos de las fibras con menor adherencia. El talco es un relleno que se puede utilizar para aumentar la resistencia a la fatiga. [12]
Los materiales de relleno tienen una gran influencia en la deformación térmica de los polímeros cristalinos. Los polímeros amorfos se ven afectados de forma insignificante por el material de aportación. Las adiciones de fibra de vidrio se utilizan con mayor frecuencia para desviar la mayor parte del calor. Se ha demostrado que las fibras de carbono funcionan mejor que el vidrio en algunos materiales base. En general, los materiales fibrosos desvían mejor el calor que las partículas de relleno. [12]
La resistencia a la fluencia se ve muy afectada por los materiales de relleno. La siguiente ecuación muestra la deformación por fluencia de un material relleno: [12]
dónde:
Cuanto mejor se una el relleno a la matriz, mejor será la resistencia a la fluencia. Muchas interacciones tendrán una influencia positiva. Se ha demostrado que tanto las perlas como las fibras de vidrio mejoran la resistencia a la fluencia en algunos materiales. El óxido de aluminio también tiene un efecto positivo sobre la resistencia a la fluencia . La absorción de agua disminuirá la resistencia a la fluencia de un material relleno. [12]
Las adiciones de materiales de relleno pueden afectar drásticamente la soldabilidad del plástico. Esto también depende del tipo de proceso de soldadura utilizado. Para la soldadura ultrasónica , los rellenos como el carbonato de calcio y el caolín pueden aumentar la capacidad de la resina para transmitir ondas ultrasónicas. [13] Para la soldadura electromagnética y la soldadura con placa caliente, las adiciones de talco y vidrio reducirán la resistencia de la soldadura hasta en un 32%. [14] La resistencia del plástico después de la soldadura disminuiría con una cantidad creciente de rellenos en la matriz en comparación con el material a granel. [15] El uso de cargas abrasivas puede afectar la herramienta utilizada para soldar. Los rellenos abrasivos degradarán más rápidamente las herramientas de soldadura, por ejemplo, la superficie de la bocina ultrasónica en contacto con el plástico. La mejor manera de probar la soldabilidad del material de relleno es comparar la resistencia de la soldadura con la resistencia de la resina. [16] Esto puede ser difícil de hacer ya que muchos materiales de relleno contienen diferentes niveles de aditivos que cambian el comportamiento mecánico. [dieciséis]
El relleno se utiliza ampliamente en el proceso de producción de productos plásticos. El relleno se utiliza para cambiar las propiedades del plástico original. Al utilizar relleno plástico, los fabricantes pueden ahorrar costes de producción y materias primas.
Es innegable la importancia del masterbatch de relleno para mejorar las propiedades físicas de los plásticos, especialmente minimizando costes y eficiencia de producción. Con la ventaja de precio y estabilidad, el relleno plástico respalda la producción de:
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )