Минерально-полимерный композит (МПК; также полимерный композит с минеральным наполнителем, ) — композиционный материал, в котором непрерывную фазу образует полимерная матрица, а дисперсную или армирующую фазу — частицы, пластинки либо волокна минерального происхождения.DeArmitt C., Rothon R. Particulate Fillers, Selection, and Use in Polymer Composites // Fillers for Polymer Applications. Springer, 2017. P. 1–27. DOI: 10.1007/978-3-319-28117-9_1.Ismail H., Sapuan S. M., Ilyas R. A. (eds.). Mineral-Filled Polymer Composites: Selection, Processing, and Applications. CRC Press, 2022. DOI: 10.1201/9781003221012. Название относится к классу материалов, а не к одной рецептуре. Состав и свойства МПК зависят от природы полимера и наполнителя, их массового и объемного соотношения, размера и формы частиц, межфазного взаимодействия, пористости, добавок и способа переработки.Fajdek-Bieda A., Wroblewska A. The Use of Natural Minerals as Reinforcements in Mineral-Reinforced Polymers: A Review of Current Developments and Prospects // Polymers. 2024. Vol. 16, no. 17. Art. 2505. DOI: 10.3390/polym16172505.da Silveira M. R. et al. Impact of Different Mineral Reinforcements on HDPE Composites: Effects of Melt Flow Index and Particle Size on Physical and Mechanical Properties // Polymers. 2024. Vol. 16, no. 14. Art. 2063. DOI: 10.3390/polym16142063.
Рационально подобранный состав МПК позволяет сочетать низкое водопоглощение с повышенной жесткостью, размерной стабильностью и устойчивостью к износу. Минеральная фаза способствует уменьшению усадки и температурных деформаций, а окрашивание в массе, пигменты и светостабилизаторы позволяют замедлять изменение цвета при наружной эксплуатации. Применение минеральных антипиренов дает возможность дополнительно снижать горючесть и дымообразование полимерной композиции.Yang X., He C., Yan H., Wang M., Zhao L. Effect of Three Different Mineral Components on the Properties of Wood Flour/High-Density Polyethylene Composites: A Comparison // BioResources. 2018. Vol. 13, no. 3. P. 5569–5579. DOI: 10.15376/biores.13.3.5569-5579.Hornsby P. R. Fire Retardant Fillers for Polymers // International Materials Reviews. 2001. Vol. 46, no. 4. P. 199–210. DOI: 10.1179/095066001771048763.
В русскоязычной литературе обозначение МПК употребляется преимущественно для материалов с полимерной матрицей и одним или несколькими порошкообразными минеральными наполнителями, например мелом, тальком или мраморной мукой.Вержбовский Г. Б., Залиев А. В. Выбор минеральных наполнителей для строительных композитных материалов с полимерной матрицей // Инженерный вестник Дона. 2023. № 9. Текст статьи.Вержбовский Г. Б., Залиев А. В. Прогнозирование свойств многокомпонентных минерально-полимерных композитных материалов // Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2025. Т. 4, № 1. С. 35–40. DOI: 10.23947/2949-1835-2025-4-1-35-40. Это употребление также не предполагает единой обязательной доли минерала, полимера или функциональных добавок.
По сравнению с незащищенной древесиной строительные профили из МПК меньше зависят от увлажнения: при плотной структуре они характеризуются низким водопоглощением, не испытывают свойственного древесине набухания и усушки и не подвержены биологическому разрушению по механизму гниения древесины. Отсутствие древесных волокон исключает образование древесных заноз, а цвет и фактура могут формироваться непосредственно при изготовлении профиля без применения периодических защитных пропиток. Для древесины, напротив, изменение влажности связано с изменением размеров, а долговечность при наружном применении зависит от конструктивной защиты, сушки и защитной обработки.Ross R. J. (ed.). Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. General Technical Report FPL-GTR-282. Madison: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, 2021. Текст издания.
Терминология и границы понятия
Минерально-полимерный композит является частным случаем полимерного композиционного материала. В отличие от ненаполненного полимерного материала, МПК представляет собой многофазную систему: полимер связывает компоненты и обеспечивает возможность формования, а минеральная фаза изменяет механические, реологические, теплофизические и другие свойства композиции. В научной литературе материалы этого класса часто называют по сочетанию матрицы и наполнителя: например, полиэтилен с карбонатом кальция, полипропилен с тальком или полимер с волластонитом.
От МПК отличают древесно-полимерные композиты, в которых основным наполнителем служит древесная мука или другое лигноцеллюлозное сырье. Граница между классами может быть условной, если рецептура содержит одновременно древесные и минеральные наполнители. К родственным материалам относят полимербетон: в нем полимерное связующее соединяет минеральный заполнитель, однако термин обычно применяют к литым строительным составам с крупной долей заполнителя, а не ко всем наполненным полимерам.
Классификация
Минерально-полимерные композиты классифицируют по типу матрицы, форме минеральной фазы, способу переработки и назначению. Эти признаки независимы друг от друга: например, один и тот же минерал может применяться в термопластичной или реактопластичной матрице, а близкие по составу композиции — перерабатываться экструзией, прессованием или литьем.
Признак Основные группы Примеры Полимерная матрица Термопластичные, реактопластичные и эластомерные МПК Композиции на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полиэфирных или эпоксидных смол Форма минеральной фазы Порошковые, пластинчатые, игольчатые и волокнистые Карбонат кальция, тальк, волластонит, базальтовое волокно Способ формования Экструдированные, литые, прессованные и полученные аддитивными методами Профили, фасонные детали, листы, плиты и штучные изделия Назначение минеральной фазы Наполняющая, армирующая или функциональная Регулирование жесткости, усадки, износостойкости, тепловых, электрических или барьерных свойств
Единой общепринятой классификации, устанавливающей обязательный состав МПК, нет. В научных и технических источниках материал обычно обозначают по матрице, минералу и, при необходимости, содержанию наполнителя.
Состав
Полимерная матрица
В качестве матрицы применяют:
термопласты — полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиамиды и другие полимеры, способные размягчаться при нагревании; реактопласты — полиэфирные, эпоксидные и иные смолы, отверждаемые после смешения компонентов; эластомеры и термопластичные эластомеры.
Выбор матрицы определяет температуру переработки, ползучесть, ударную вязкость, химическую стойкость, горючесть и возможность повторной переработки. Термопластичные МПК обычно получают смешением в расплаве с последующей экструзией, литьем под давлением или прессованием. Реактопластичные системы формуют до или во время отверждения.Rothon R. N. (ed.). Fillers for Polymer Applications. Cham: Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-28117-9.
Минеральные наполнители
К распространенным наполнителям относятся карбонат кальция, тальк, каолин, мраморная мука, кварц, кремнезем, доломит, слюда, волластонит, базальтовые порошки и волокна, оксид алюминия, а также гидроксиды алюминия и магния.Чимчикова Р. И. и др. Создание полимерных композитов с минеральными наполнителями // Нанотехнологии в строительстве. 2025. Т. 17, № 1. С. 59–73. DOI: 10.15828/2075-8545-2025-17-1-59-73. Выбор наполнителя связан не только с его химическим составом, но и с плотностью, твердостью, чистотой, влажностью, размером, формой и распределением частиц, удельной поверхностью и поверхностной химией.
Пластинчатые частицы талька и слюды, игольчатый волластонит, округлые частицы карбоната кальция и минеральные волокна по-разному влияют на течение расплава и передачу нагрузки. Для улучшения совместимости с полимером поверхность наполнителя может быть обработана жирными кислотами, силанами и другими модификаторами. В рецептуру также вводят пигменты, смазки, стабилизаторы, модификаторы ударной прочности, антипирены и совместители.
Функция минерала определяется всей рецептурой, поэтому один наполнитель может одновременно влиять на несколько характеристик.
Минеральный компонент Характерная форма частиц Возможные функции в полимерной композиции Карбонат кальция, мел, мраморная мука Преимущественно порошковая Регулирование жесткости, усадки, вязкости расплава, плотности и внешнего вида Тальк, слюда, каолин Пластинчатая Повышение жесткости и размерной стабильности, изменение барьерных и теплофизических свойств Волластонит Игольчатая Армирование, повышение жесткости и сопротивления деформации Кварц, кремнезем, оксид алюминия Порошковая Регулирование твердости, износостойкости и электрических свойств Базальт Порошковая или волокнистая Армирование и изменение механических и теплофизических характеристик Гидроксиды алюминия и магния Порошковая Функциональное наполнение и изменение поведения композиции при нагревании
Получение
Подготовка компонентов
Подготовка наполнителя может включать дробление, помол, классификацию по размеру, сушку и поверхностную обработку. Полимер, минерал и функциональные добавки дозируют в соответствии с рецептурой. Контроль влажности и гранулометрического состава необходим для равномерного смешения и воспроизводимости свойств.
Смешение и компаундирование
В термопластичных системах компоненты смешивают в расплаве в смесителях и одно- или двухшнековых экструдерах. Материал может пройти двухстадийный процесс, при котором сначала получают гранулированный компаунд, а затем формуют изделие, либо одностадийный процесс с непосредственным выпуском профиля или листа. При компаундировании добиваются распределения минеральных частиц в матрице и смачивания их поверхности полимером.
Формование изделий
Для непрерывных профильных изделий применяют экструзию; для деталей сложной формы — литье под давлением; для плит и штучных изделий — горячее или холодное прессование в зависимости от матрицы. Реактопластичные системы формуют до или во время отверждения. Применяются также ротационное формование и аддитивное производство.
При экструзии профиль после формующей головки калибруют, охлаждают и разрезают. Лицевая поверхность может формироваться непосредственно фильерой, обрабатываться тиснением, шлифованием или брашированием. Соэкструзия позволяет одновременно формировать основной слой и наружный слой другого состава.
Технологические факторы
Повышение доли твердого наполнителя часто увеличивает вязкость расплава и крутящий момент оборудования, затрудняет равномерное распределение частиц и заполнение формы. Агломераты, остаточная влага, воздух и слабая адгезия на границе фаз способны образовывать дефекты и снижать прочность. Поэтому одинаковое массовое соотношение компонентов не гарантирует одинаковых свойств материала.Shenoy A. V. Rheology of Filled Polymer Systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1999. DOI: 10.1007/978-94-015-9213-0.
Свойства
Минеральная фаза позволяет целенаправленно улучшать эксплуатационные характеристики полимерной матрицы. В правильно подобранной композиции частицы минерала воспринимают часть механической нагрузки, ограничивают подвижность полимерных цепей и способствуют сохранению формы изделия. Поэтому МПК применяют для получения жестких и геометрически стабильных профилей, рассчитанных на продолжительную наружную эксплуатацию.Rothon R. N. Particulate Fillers in Thermoset Plastics // Fillers for Polymer Applications. Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-28117-9_77.
К характерным свойствам МПК относятся:
повышенная жесткость и сопротивление деформации под нагрузкой; уменьшенная усадка и более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с ненаполненной полимерной матрицей; высокая размерная стабильность и возможность сохранять геометрию длинномерных профилей; низкое водопоглощение при применении гидрофобной матрицы и формировании плотной малопористой структуры; возможность повышения твердости, износостойкости и сопротивления царапанию;