Laboratorium nr 1, temat nr 2: Nanokompozyty polimerowe

Nanokompozyt polimerowy oznacza materiał dwufazowy, w którym w polimerowej osnowie są równomiernie rozmieszczone cząstki napełniacza, przy czym przynajmniej jeden z wymiarów tych cząstek nie przekracza kilku nanometrów.

W zależności od tego, ile wymiarów cząstek napełniacza nie przekracza kilku nanometrów, wyróżnia się trzy rodzaje nanokompozytów, w których:

1. Wszystkie trzy wymiary cząstek napełniacza wynoszą kilka nanometrów, takimi napełniaczami są m.in. wytrącany di tlenek krzemu i kulki di tlenku krzemu,

2. Tylko dwa wymiary cząstek napełniacza wynoszą kilka nanometrów; do takich zalicza się: whiskersy oraz nanorurki,

3. Nanokompozyty, w których tylko jeden z wymiarów cząstek napełniacza nie przekracza kilku nanometrów: krzemowe napełniacze płytkowe, których grubość pojedynczej płytki wynosi ok. jednego nanometra, zaś pozostałe wymiary zawierają się w przedziale 200-100nm.

Metody wytwarzania nanokompozytów polimerowych:

1. Polimeryzacji. Obecnie jest stosowana głównie do wytwarzania nanokompozytów polimerów termoutwardzalnych. Składa się z dwóch etapów: pierwszy polega na wnikaniu ciekłego monomeru między płytki nanonapełniacza i wymaga określonego czasu, zależnego od polarności monomerów, własności powierzchniowych nanonapełniacza oraz temperatury procesu. Drugi- obejmuje proces polimeryzacji zachodzącej głównie między płytkami nanonapełniacza.

2. Metoda rozpuszczalnikowa. 3 etapy. 1- przygotowanie zawiesiny modyfikowanego powierzchniowo napełniacza w polarnym rozpuszczalniku, np. toluenie. Rozpuszczalnik wnika między płytki nanonapełniacza i oddziaływując na jony modyfikatora powoduje zwiększenie odległości między tymi płytkami. 2- polimer rozpuszcza się w tym samym rozpuszczalniku, a otrzymany roztwór miesza się z przygotowaną w etapie pierwszym zawiesiną tak, aby roztwór wypełnił szczeliny między płytki nanonapełniacza. 3- odparowanie rozpuszczalnika i suszenie otrzymanego nanokompozytu. Metodą tą są wytwarzanie nanokompozyty takich polimerów termoplastycznych jak polietylen dużej gęstości i poliamid.

3. Metoda polegająca na mieszaniu nanonapełniacza z uplastycznionym polimerem.

Właściwości

Nanokompozyt polimeru z montmorillonitem ma właściwości fizyczne i cieplne zdecydowanie lepsze w porównaniu z właścuwiościami samego polimeru. Poprawa tych właściwości polega głównie na zwiększeniu modułu sprężystości, naprężenia zrywającego, twardości cieplnej i niepalności oraz właściwości adhezyjnych do farb i lakierów, oraz na zmniejszeniu rozszerzalności liniowej oraz przepuszczalności dla pary wodnej i tlenu, wpływu obniżonych temperatur na udarność.

Ze względu na rodzaj osnowy wyróżnia się trzy grupy nanokompozytów:

• nanokompozyty ceramiczne

• nanokompozyty metaliczne

• nanokompozyty polimerowe

Są najpopularniejszą grupą nanokompozytów pod względem zastosowania, ponieważ cechują ją unikalne właściwości- duża wytrzymałość mechaniczna oraz właściwości barierowe (już przy zawartości kilku procent nanonapełniaczy). Osnowę stanowią polimery, głównie termoplasty (polietylen PE, polipropylen PP, poliamid PA, poli (tereftalen etylenu) PET, poli (metakrylan metylu) PMMA, poliwęglan PC ). Nanonapełniacze mogą mieć różne kształty i wymiary. Do najpopularniejszych nanonapełniaczy należą: nanowłókna i nanorurki, nanokrzemionka, krzemiany warstwowe, metale i ich związki, nawet gazy (w nanopiankach polimerowych).

Do najczęściej stosowanych i najlepiej poznanych nanonapełniaczy należą krzemiany warstwowe. Są to naturalne minerały iglaste, stanowiące główny skład skał o nazwie bentonity. Około 60- 95% bentonitów stanowi montmorylonit MMT - Al₂O₃ˇSiO₂ˇnH₂O, pozostałe składniki to kwarc, mika, piryty, skaleń i wapień. MMT jest najczęściej stosowanym krzemianem warstwowym. Może on absorbować wodę w ilości odpowiadającej 6- krotności jego wagi.

Nanokompozyty z udziałem krzemianów warstwowych mogą występować w dwóch strukturach:

• interkalowana (intercalated)- struktura uporządkowana, wielowarstwowa, w której łańcuchy polimeru znajdują się między pojedynczymi, równoległymi warstwami krzemianu,

• eksfoliowana (exfoliated)- warstwy krzemianowe rozproszone są w różnych kierunkach w osnowie polimerowej, przez co odległości między płytkami są większe niż w przypadku kompozytów interkalowanych. Daje to szczególnie dobre właściwości fizykochemiczne i mechaniczne.

Kolejnym rodzajem napełniacza są nanowhiskery, które można określić jako monokrystaliczne druciki. Nanowhiskery metali zapewniają dobrą przewodność cieplną, jednak są bardzo drogie.

Nanocząstki metali dodawane są do polimerów w celu uzyskania pożądanych właściwości elektrycznych. Cząstkami tymi mogą być nanocząstki srebra, palladu, tlenków żelaza. Nanocząstki srebra mają dodatkowo właściwości bakteriobójcze.

Nanocząstki ceramiczne modyfikują inne właściwości polimeru, np. dodatek nanocząstek TiO₂domieszkowanego metalami ziem rzadkich powoduje zmianę właściwości optycznych nanokompozytu.

Popularnymi w ostatnich latach nanonapełniaczami są nanorurki węglowe oraz nanowłókna węglowe. Nanowłókna w porównaniu do nanorurek mają jednak mniejszą wytrzymałość mechaniczną, mniejszy moduł sprężystości, są bardziej kruche i cięższe.