Компаунд: состав, виды и характеристики

О чем речь? Компаунд – композитный материал, состоящий из базовой полимерной матрицы и различных наполнителей, отвердителей. Изначально жидкие или пастообразные, они превращаются в твердый пластик прямо в процессе применения, что открывает уникальные возможности: от заливки изоляции электроники до создания монолитных протезов.

Что учесть? Благодаря своей «двойной природе» полимерные компаунды стали незаменимы в высокотехнологичных отраслях: от производства печатных плат и светодиодных модулей до строительства мостов и протезирования в медицине. Они позволяют герметизировать сложные формы, создавать гальванически стойкие покрытия и точно копировать микрорельеф поверхности.

Что такое компаунд

Полимерный компаунд — многокомпонентный материал на основе полимеров с различными добавками. Он используется для создания прочных и герметичных соединений, а входящие в состав компоненты придают ему свойства, необходимые для конкретных задач.

Основная функция полимерных смесей — создание высокопрочных соединений без использования высоких температур и сложного оборудования. Компаунды обеспечивают надежное закрепление элементов при значительных нагрузках, вибрациях и воздействии агрессивной окружающей среды.

Если говорить простыми словами, что такое компаунд — это заранее изготовленная многокомпонентная смесь на полимерной основе, содержащая различные добавки, пигменты и функциональные наполнители.

В целом компаунды являются востребованными полимерными материалами, которые широко используются в разных сферах:

• Строительство: наполненные материалы, устойчивые к атмосферным воздействиям, ударам и возгоранию.
• Автомобилестроение: высокопрочные и ударостойкие материалы, рассчитанные на эксплуатацию при высоких температурах.
• Бытовая электроника и техника: материалы, отличающиеся декоративными свойствами, устойчивостью к нагреву, негорючестью и минимальным выделением летучих соединений. Черный компаунд используют для герметизации электроники и приборов.
• Кабельная промышленность (изоляция): без галогеновые негорючие смеси с низкой дымностью, устойчивые к высоким рабочим температурам и воздействию продуктов нефтепереработки.

Состав компаунда

Полимеры без примесей используются редко, поскольку необходимые свойства им придают специальные добавки, которые часто вводятся непосредственно в процессе их производства. Если же перечень необходимых параметров компаунда довольно сложный, подготовить состав в необходимых пропорциях возможно только на предприятии-изготовителе. Производство такого материала предполагает строгое соблюдение рецептуры и контроль технологического процесса, что невозможно выполнить самостоятельно конечному потребителю.

Компаунд представляет собой заранее изготовленную многокомпонентную смесь на основе полимерного связующего, в которую входят различные добавки, пигменты и наполнители, снижающие стоимость или придающие материалу нужные свойства.

Полимерная основа

Полимер, как связующая база компаунда, по-разному реагирует на нагрев и может быть термопластичным или термореактивным. Эта особенность играет ключевую роль при выборе способов переработки материала:

• Термопластичный компаунд — материал, который в обычных условиях остается твердым, но при нагревании становится мягким и пластичным. Его можно многократно расплавлять и снова затвердевать, а изделия из него допускают повторную переработку.
• Термореактивный компаунд может изначально находиться в твердом или жидком состоянии. Формирование изделий происходит за счет химического «сшивания» при нагреве или с использованием воды, отвердителей и катализаторов. После отверждения материал уже не поддается размягчению или плавлению и применяется однократно. В качестве основы таких марок компаунда составляют различные виды смол: кремнийорганические, полиэфирные, полиолефиновые, эпоксидные и др.

Отдельно выделяют компаунды, которые сочетают в себе характеристики обеих групп:

• Термоэластопласт — материал, по своим свойствам похожий на каучук, но при нагревании переходящий в вязко текучее состояние. Он производится на основе полиолефинов и эластомерных компонентов (SEBS, SBS, EPDM). Благодаря этому его переработка и изготовление компаундов выполняются по технологиям термопластов, таким как литье под давлением и экструзия.

Наполнители полимера

В зависимости от производственных задач доля наполнительных компонентов может достигать до 80 % общей массы компаунда. Эти добавки могут выполнять как декоративные, так и функциональные функции:

• Снижение стоимости конечной смеси обеспечивается за счет применения мела (микромрамора), который увеличивает объем материала и уменьшает его себестоимость.
• Декоративные свойства компаунда формируются благодаря добавлению природных наполнителей, таких как древесная мука и другие подобные компоненты
• Для повышения прочности, ударостойкости и термостойкости готового изделия полимерную основу армируют тальком, стекловолокном, специальными марками мела и другими аналогичными наполнителями.

Функциональные добавки

Для придания компаунду необходимых специальных свойств используются различные добавки в определенной концентрации. В зависимости от типа смеси их содержание может составлять от 0,05 % до 50 % общей массы:

• Для снижения горючести материала используются антипирены, такие как бромсодержащие соединения, гидроксиды магния и алюминия, а также другие огнезащитные добавки.
• Совмещение термопластичности и свойств термореактивных материалов достигается за счет комбинирования полимеров, например, АБС с ПК или ПП с каучуком.
• Защиту от ультрафиолетового излучения, атмосферных воздействий и окислительных процессов на протяжении длительного срока службы обеспечивают стабилизаторы и антиоксиданты.
• Для придания материалу стабильной электропроводности применяются токопроводящие наполнители, например, электропроводящая сажа.

Процессинговые добавки

Отдельные виды наполнителей не изменяют свойства готового компаунда, но упрощают его переработку и изготовление изделий. Для этого в состав вводят диспергаторы, воски и добавки, снижающие трение (скольжение).

Колеры, пигменты и красители

Для придания материалу и готовым изделиям декоративного вида либо возможности маркировки окрашивающие компоненты добавляются в компаунд еще на этапе его производства.

Большинство полимерных составов не состоит лишь из основы и одного наполнителя, а представляет собой сложную комбинацию компонентов с заранее заданным набором свойств. Например, компаунд АБС/ПК может быть трудногорючим, содержать тальк в качестве наполнителя и быть окрашенным.

Виды компаунда

По виду полимерной основы:

• Эпоксидные компаунды обладают особыми физико-химическими свойствами, благодаря чему широко применяются в разных сферах. После отверждения они отличаются высокой стойкостью к механическим и химическим воздействиям, почти не дают усадки и не выделяют летучих веществ в процессе эксплуатации. Эпоксидные компаунды как изоляционные материалы отличаются высокими электроизоляционными свойствами, благодаря чему они широко применяются и являются востребованными в электротехнической промышленности.
• Полиуретановые компаунды применяются в электротехнике для изоляции, а также в промышленности при изготовлении литейных форм. Широко используются составы для полов на различных основаниях, устойчивые к температуре 100–110 °C и повышенной влажности. Такие материалы подходят для условий с высокими нагрузками и повышенными требованиями к внешнему виду. Их основные преимущества — хорошая адгезия, высокая прочность, стойкость к вибрациям, отсутствие токсичных компонентов и самовыравнивающиеся свойства. Добавление наполнителей, например, стекловолокна, позволяет улучшить характеристики и снизить себестоимость. Двухкомпонентные полиуретановые компаунды применяются для герметизации, заливки и изоляции электротехнических устройств, а также для изготовления изделий методом свободного литья.
• Силиконовые компаунды с вязкой структурой и высокими диэлектрическими свойствами применяются для герметизации электрических соединений в высоковольтном оборудовании. Они надежно защищают от влаги, агрессивных сред и коррозии, а также снижают риск коротких замыканий. Дополнительным преимуществом является их высокая термостойкость, позволяющая использовать материал в диапазоне температур от –60 °C до 250 °C.
• Компаунд на основе полипропилена — композиционный материал, в который вводятся различные модифицирующие добавки. В его состав могут входить стекловолокно, минеральные наполнители, антипирены и другие функциональные компоненты. Полимерный компаунд обладает высокой электроизоляционной способностью в широком температурном диапазоне, что позволяет использовать его как при повышенных, так и при пониженных температурах. Полипропиленовые составы при этом отличаются повышенной стойкостью к воздействию агрессивных сред.

По способу отверждения:

• Холодное отверждение — способ, при котором компаунд твердеет при обычной комнатной температуре без необходимости дополнительного нагрева. Такие материалы часто применяются для защиты электротехнического оборудования. Время полного отверждения при этом обычно составляет около четырех часов.
• Термоотверждаемые компаунды твердеют за счет необратимой химической реакции, в ходе которой образуется трехмерная структура полимера. Такие материалы отличаются высокой прочностью, устойчивостью к внешним воздействиям и длительным сроком службы.
• УФ-отверждаемые компаунды затвердевают под действием ультрафиолетового излучения, при этом процесс полимеризации происходит очень быстро — всего за несколько секунд. Такой способ отверждения широко применяется в микроэлектронике и при изготовлении оптических элементов. Такие компаунды достаточно прозрачные и отличаются высокой устойчивостью к воздействию химических веществ.

По назначению:

• Заливочные компаунды используются очень широко при производстве датчиков: с их помощью формируют корпуса изделий и обеспечивают качественную электрическую изоляцию. Кроме того, такие материалы отличаются способностью проводить тепло. Такой компаунд для заливки защищает оборудование от преждевременного износа и улучшает его эксплуатационные характеристики.
• Обволакивающие компаунды применяются для пропитки и заполнения печатных схем радиоэлектронных устройств, а также элементов, узлов и деталей электрооборудования и электронных приборов. Они способствуют увеличению срока службы изделий и обеспечивают их устойчивую и стабильную работу в различных условиях эксплуатации.
• Клеевые и герметизирующие. Универсальные материалы, предназначенные для соединения различных оснований, включая металлы и их сплавы, керамику, стекло, бетон, древесину, а также некоторые виды полимеров. Они характеризуются высокой термостойкостью и устойчивостью к воздействию агрессивных сред — масел, бензина, воды, кислот и щелочей. Герметизирующие составы обеспечивают защиту электротехнических изделий от проникновения влаги, воздуха, конденсата и химически активных веществ. Кроме того, отдельные виды таких материалов применяются при изготовлении электротехнических компонентов, таких как детали корпусов, крышки и разъемы.

Технологии переработки компаунда

На производстве компаунды перерабатывают различными способами, включая экструзию, литье под давлением, центробежное литье, свободную заливку и автоматическое гелеобразование под давлением. Подбор технологии осуществляется с учетом вязкости компаунда, конфигурации изделия, заданных эксплуатационных свойств и объемов выпуска продукции.

• Литье под давлением

Термопластавтоматы применяются для переработки компаундов в гранулах. Материал поступает в нагреваемый цилиндр, где он плавится при температуре, характерной для конкретного вида полимера. Расплавленный заливной компаунд под давлением 80–160 МПа подается (инжектируется) в закрытую форму. Длительность одного цикла составляет от 30 секунд до нескольких минут и зависит от массы изделия.

Многокомпонентное литье позволяет за один производственный цикл получать изделия, выполненные из нескольких материалов с различной жесткостью или цветовым исполнением. Такая технология исключает необходимость последующей сборки, упрощает конструкцию изделий и повышает эффективность производства. Диаметр шнека современных установок варьируется в пределах от 20 до 300 мм.

Читайте также!

PLA и PETG: отличия и сходства

Подробнее

• Экструзия

Экструдеры работают за счет непрерывного выдавливания расплавленного компаунда через формующую головку, благодаря чему изготавливают трубы, листы, пленки и профили. Одношнековые установки применяются для обработки однородных материалов. Двух шнековые экструдеры обеспечивают более качественное смешивание компонентов и оснащены системой дегазации, удаляющей летучие соединения.

Производительность экструзионных линий при крупнотоннажном выпуске продукции способна достигать нескольких тонн в час. Температурные режимы по зонам цилиндра регулируются с учетом типа перерабатываемого материала. Частота вращения шнека, как правило, составляет от 20 до 150 оборотов в минуту.

• Компаундирование

Производство компаундов заключается в смешивании полимерной основы с наполнителями и различными добавками на специализированном оборудовании. На этапе предварительного смешивания используются лопастные смесители вертикального и горизонтального исполнения. Двухшнековые экструдеры обеспечивают эффективную гомогенизацию расплава и равномерное распределение всех компонентов по всей массе материала.

Грануляторы нарезают экструдированный материал на гранулы размером 2–4 мм, что упрощает его транспортировку и дозирование. Готовые компаунды проходят проверку показателя текучести расплава, механической прочности и содержания летучих веществ. Упаковка осуществляется в герметичную тару для предотвращения попадания влаги.

• Методы заливки

Свободная заливка используется для жидких компаундов с низкой вязкостью. Компаунд заполняет форму под действием силы тяжести при нормальном атмосферном давлении. Этот способ подходит для изделий простой формы, не имеющих тонких элементов. Он позволяет повысить качество продукции, так как технология заливать компаунд по данной методике позволяет удалять воздушные пузыри из расплава перед заполнением формы.

Автоматическое гелеобразование под давлением осуществляется в разогретой форме при температуре 130–180 °C. Введение компаунда под давлением 0,1–0,3 МПа компенсирует усадку материала, снижает образование пустот и уменьшает остаточные напряжения. Данная технология обеспечивает высокую точность при производстве деталей сложной конфигурации.

Часто задаваемые вопросы о компаунде

Каковы преимущества?

Различные виды компаундов имеют такие плюсы:

• Многокомпонентный состав: каждый компонент вводится для достижения конкретных характеристик материала — прочности, гибкости, электропроводимости, огнестойкости.
• Готовность к использованию: компаунды поставляются на производство уже в полностью подготовленном рабочем состоянии.
• Заданные свойства: состав можно точно подбирать под технологические задачи — от диэлектрической прочности до устойчивости к химическим воздействиям.
• Снижение затрат времени и брака: стабильный состав обеспечивает предсказуемое качество и повторяемый результат.

По каким параметрам выбирают компаунды?

Механические характеристики компаунда: прочность, твердость и эластичность материала. Термические характеристики определяют допустимый рабочий температурный диапазон материала и его термостойкость. Электрические параметры включают диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, а также пробивное напряжение.

Технологические параметры компаунда учитывают плотность, вязкость компаунда, время жизнеспособности, метод переработки, скорость отверждения. Эксплуатационные характеристики отражают, насколько материал устойчив к воздействию влаги, ультрафиолета, агрессивных химических сред и механических нагрузок. Применение комплексного подхода при подборе компаунда дает возможность добиться наилучшего баланса между требуемыми свойствами и удобством технологической переработки.

Читайте также!

Дефекты в литье и способы их устранения

Подробнее

Могут ли компаунды использоваться в пищевой промышленности?

В пищевой промышленности допускается применение силиконового компаунда только при наличии необходимых сертификатов, подтверждающих их безопасность. Такие материалы применяются в системах питьевого водоснабжения, а также на предприятиях по производству пищевой продукции.

Как хранить двухкомпонентный компаунд?

Компоненты содержат раздельно и хранят в плотно закрытой герметичной таре при температуре 15–25 °C. Как правило, срок хранения таких материалов составляет от 12 до 24 месяцев. После вскрытия упаковки их желательно использовать в течение 3–6 месяцев.

Какое оборудование используется для переработки компаундов?

Производители гранулированных компаундов пользуются термопластавтоматами или экструдерами. Для работы с жидкими компаундами применяются дозаторы, смесительные установки и заливочные машины. Выбор конкретного оборудования зависит от объема производства и характеристик изготавливаемой продукции.

Полимерные компаунды являются перспективным классом материалов, широко применяемых в промышленности, строительстве, медицине и других сферах благодаря разнообразию свойств и возможности их целенаправленного изменения. К их основным преимуществам относятся высокая прочность при малом весе, химическая стойкость, гибкость в настройке эксплуатационных характеристик и удобство переработки. При выборе компаунда необходимо учитывать условия эксплуатации, требования к механическим и термическим свойствам, а также экономическую эффективность. Развитие технологий и появление новых добавок и наполнителей постоянно расширяют возможности этих материалов, открывая дополнительные перспективы для инноваций и повышения эффективности производства.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com