充填剤（材料）

プラスチック業界では「チョーク」と呼ばれる炭酸カルシウムは、石灰石や大理石から得られます。PVCや不飽和ポリエステルなど、多くの用途で使用されています。複合材料を作るのに最大90%のCaCO₃を_使用できます。これらの添加物は、冷却速度を低下させることで成形生産性を向上させることができます。また、材料の動作温度を上昇させ、電気配線の絶縁性も提供できます。^{[ 11 ]}

CaCO _{3は、フィラー}マスターバッチのベースとして、組成の大部分を占めて使用されます。炭酸カルシウム粉末が組成の 97% を占めることで、白色/不透明製品の白色度が向上します。そのため、メーカーは白色マスターバッチの使用量を減らすことができます。炭酸カルシウム粉末は、少量であれば着色製品にも使用できます。さらに、最終的なプラスチック製品の表面をより明るく、より光沢のあるものにします。^{[ 12 ]}

カオリンは、主にプラスチックにおいて、そのブロッキング防止特性やレーザーマーキングにおける赤外線吸収剤として使用されています。^{[ 11 ]}衝撃強度と耐熱性を向上させます。メタコリナイトは、PVCの安定化に使用されます。^{[ 11 ]}カオリンは耐摩耗性を向上させることも示されており、充填材としてカーボンブラックの代替となり、ガラス繊維強化物質の流動性を改善できます。^{[ 11 ]}

タルクは軟質の鉱物で、一般的に炭酸カルシウムよりも高価です。水酸化マグネシウムのシートとシリカを重ね合わせることで得られます。プラスチック業界では、長期熱安定性のため、包装や食品用途に使用されています。^{[ 11 ] [ 6 ]}

ウォラストナイトは、比較的高い比重と高い硬度を持つ針状構造を有しています。この充填剤は、含水率、耐摩耗性、熱安定性、および高い絶縁耐力を向上させることができます。ウォラストナイトは、雲母やタルクなどの板状充填剤と競合し、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂の製造においてガラス繊維の代替としても使用できます。^{[ 6 ]}

ガラス充填材には、ガラスビーズ、短ガラス繊維、長ガラス繊維など、さまざまな形態があります。プラスチックのトン数で。 ^{[ 6 ]}ガラス繊維は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂の曲げ弾性率や引張強度などの機械的特性を向上させるために使用されます。通常、充填材としてガラスを添加することに経済的なメリットはありません。マトリックスにガラスが含まれている場合のいくつかの欠点には、表面品質の低下、溶融時の高粘度、溶接性の悪さ、反りなどがあります。^{[ 6 ]}ガラスビーズを添加すると、油吸収と耐薬品性が向上します。^{[ 11 ]}

石炭やシェールオイルのフライアッシュは、射出成形用途に使用できる熱可塑性樹脂の充填剤として使用されてきた。^{[ 13 ]}

ナノフィラーは、粒子サイズが 100ナノメートル未満です。高いアスペクト比を持ち、主に耐擦傷性および耐火性フィラーとして使用されます。^{[ 5 ]}ナノフィラーは、ナノプレート、ナノファイバー、ナノ粒子の 3 つのグループに分類できます。ナノ粒子はナノプレートやナノファイバーよりも広く使用されていますが、ナノプレートの使用も広がり始めています。ナノプレートは、タルクやマイカなどの従来の板状フィラーに似ていますが、厚さがはるかに小さいです。ナノフィラーを添加する利点には、ガスバリアの形成と難燃性があります。^{[ 6 ]}

ポリマーフォームビーズは、かさ密度が0.011 g/ccと低く、サイズは45ミクロンから8  mm以上まで幅広くあります。配合システムでポリマーフォームビーズを使用する際の一般的な欠点としては、静電気、温度、および化学薬品に対する耐性の制限、そして極めて低いかさ密度のため配合システム内で均一な混合を実現するのが難しいことが挙げられます。しかし、これらの制限は、配合の変更、添加剤、およびその他の表面処理を用いることで、ほぼ完全に克服できます。こうした潜在的な課題はあるものの、最終製品の重量やコストを削減する必要がある場合には、ポリマーフォームビーズを配合システムに添加することができます。

石積み充填材は、壁のひび割れや穴を補修するために使われるため、充填材と呼ばれる複合材料です。一般的には、セメントと消石灰に細骨材を充填材として混ぜて作られています。製造元にはToupretなどがあります。^{[ 14 ]}

様々な天然ポリマーを充填剤として使用できます。既知の例としては、セルロース繊維、木粉および繊維、亜麻、綿、サイザル麻、デンプンなどがあります。^{[ 4 ]}

コンクリート充填材は建設用骨材と呼ばれ、砂利、石、砂、鉄筋などが含まれます。砂利、石、砂はコンクリートのコストを削減するために使用されます。鉄筋はコンクリートを強化するために使用されます。^{[ 15 ]}

引張強度は、充填材を評価する最も一般的な方法です。複合材料の引張強度は、次の式を使用して計算できます。

σ _c = σ _p (1-aΦ ^b _f +cΦ _f ^d ) ^{[ 17 ]}

どこ

σc = 複合材料_の引張強度

σp = ポリマーマトリックス_の引張強度

Φf = 充填材の体積分_率

a、b、c、dは充填材の種類に応じて決まる定数です。「a」は応力集中に関係し、充填材の接着特性に基づいています。「b」は通常0.67です。cとdは粒子サイズに反比例する定数です。^{[ 17 ]}

充填ポリマーの弾性率（ヤング率）は、以下の式を用いて求めることができます。

E = E ₀ (1 + 2.5Φ + 14.1Φ ² ) ^{[ 17 ]}

どこ：

E ₀ = 未充填樹脂またはバインダーの弾性率

Φ = 充填剤濃度

少量の充填剤を添加したポリマーは、この式にほぼ従います。一般に、充填材を添加すると弾性率が増加します。炭酸カルシウムとタルクを添加すると弾性率が増加しますが、弾性充填材を添加するとわずかに減少する可能性があります。充填材は、その剛性または硬さとポリマーマトリックスとの良好な接着性により弾性率を増加させます。^{[ 17 ]}

一般的に、充填材は耐衝撃性を向上させます。耐衝撃性を向上させる要因は、粒子サイズ、粒子形状、および粒子剛性です。繊維は、その大きなアスペクト比により、耐衝撃性を最も向上させます。硬度の低い充填材は、衝撃強度を低下させます。特定の範囲内の粒子サイズは、充填材の種類に応じて衝撃強度を向上させることができます。^{[ 17 ]}

プラスチック材料の摩耗量（W _{s ）は}次のように計算できます。

W _s = KμPDW/(EI _s ) ^{[ 17 ]}

どこ：

K = 比例定数

P = 力

E = 弾性率

D = 滑り距離

W = 荷重

I _s = 層間せん断強度

マトリックスとフィラーの両方が耐摩耗性に寄与します。一般的に、フィラーは材料の摩擦係数を低下させるために選択されます。粒子のサイズと形状が寄与要因です。粒子のサイズが小さいほど、摩耗粉の発生が少なくなるため、耐摩耗性が向上します。シリカ、アルミナ、二硫化モリブデン、グラファイト粉末は、耐摩耗性を向上させる一般的なフィラーです。^{[ 17 ]}

充填材は、充填材の種類と形状によって、疲労抵抗に負または正の影響を与える可能性があります。一般的に、充填材はマトリックスに小さな不連続部を作り出します。これは、亀裂の発生点に寄与する可能性があります。充填材が脆い場合、疲労抵抗は低くなりますが、充填材が非常に延性である場合、複合材料は疲労抵抗性になります。接着も疲労抵抗に影響を与える重要な要素です。応力が粒子の接着力よりも高い場合、亀裂が発生/伝播します。繊維端は、接着力が低い繊維端に高い応力がかかるため、亀裂が最も頻繁に発生する領域です。タルクは、疲労抵抗を高めるために使用できる充填材です。^{[ 17 ]}

充填材は結晶性ポリマーの熱変形に大きな影響を与える。非晶質ポリマーは充填材の影響をほとんど受けない。ガラス繊維の添加は、最も多くの熱を遮断するために最もよく使用される。炭素繊維は、一部の基材ではガラスよりも優れた性能を示すことが示されている。一般的に、繊維状材料は粒子状充填材よりも熱を遮断するのに優れている。^{[ 17 ]}

クリープ抵抗は充填材によって大きく影響を受けます。以下の式は充填材のクリープひずみを示しています。^{[ 17 ]}

ε _c (t)/ε _m (t) = E _m /E _c

どこ：

ε _c (t) = 充填ポリマーのひずみ

ε _m (t) = マトリックスまたは未充填ポリマーのひずみ

E _m = はマトリックスのヤング率です

E _c =充填ポリマーのヤング率

充填材とマトリックスの結合が良好であればあるほど、クリープ耐性は向上する。多くの相互作用がプラスの影響を与える。ガラスビーズと繊維はどちらも、一部の材料でクリープ耐性を向上させることが示されている。酸化アルミニウムもクリープ耐性にプラスの影響を与える。吸水は充填材のクリープ耐性を低下させる。^{[ 17 ]}