Ugrás a tartalomhoz

Nanokompozitok

Hernádi Klára (2012)

Szegedi Tudományegyetem

Polimermátrixú nanokompozitok

Polimermátrixú nanokompozitok

4.2. ábra - A polimermátrixú nanokompozitok fejlesztési útvonalai.

A polimermátrixú nanokompozitok fejlesztési útvonalai.

A polimermátrixú nanokompozitokban a mátrix anyaga hőre lágyuló vagy hőre keményedő polimer, a diszperz fázis az eddigi gyakorlat szerint leginkább réteges szilikát vagy szén nanocső. A szén nanocsövek alkalmazása azért ígéretes, mivel ezek rugalmassági modulusa a legnagyobb (kb. 1,7 TPa) az ismert anyagok közül és a szálerősítés szempontjából fontos alaktényező, az átmérő és a hossz aránya (aspect ratio, „karcsúság”) ugyancsak kedvező. Érdemes összehasonlítani, hogy míg az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT) átmérője 1–2 nm, hosszúságuk pedig 1–5 μm, a hagyományos kompozitokban használt rövid üveg- vagy szénszálak átmérője jellegzetesen 5–10 μm, hosszúságuk pedig 50–100 μm.

Szén nanocsöveket tartalmazó polimermátrixú nanokompozitok. Szén nanocsöveket tartalmazó polimermátrixú nanokompozitok ugyan még nem mondhatók széles körben elterjedtnek, azonban már kaphatók kereskedelmi forgalomban. A szén nanocsövek kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, ugyanakkor nem könnyű a gyakorlati hasznosításuk. Különleges alakjuk az alkalmazások szempontjából kedvező, azonban a van der Waals-erők hatására a részecskék agglomerálódnak, és gömbszerű gubancok alakulnak ki. Nehéz a szén nanocsöveket homogenizálni, és az előállítás maximális hőmérséklete (a legtöbb polimer esetén) 250 °C. A polimerolvadék megszilárdulásakor jelentős térfogatcsökkenés következik be, amely belső feszültségeket kelt, és ez roncsolhatja a szén nanocsöveket. Fontos szerepe van a nanocsövek és a mátrix közötti határrétegnek, ugyanis a nanocső és a mátrix között kialakuló kötés erősségének ismerete alapvető lenne a terhelés átadás mechanizmusának megértése szempontjából. Ugyan számos megfigyeléssel rendelkezünk, de ezekből jelenleg csak kevés általános következtetés vonható le. Annyi bizonyos, hogy a funkcionalizálás, illetve a kovalens kötések kialakítása csökkenti a mechanikai stabilitást.

Szerves-szervetlen hibrid kompozitok. A polimermátrix tulajdonságainak módosítása gyakran szervetlen vegyületek beépítésével történik. Ezek a kompozitok különlegesek, mivel kémiai szempontból nagyon különböző szerves mátrix és szervetlen diszperz fázis társítása következik be. Szervetlen töltőanyagok (fillerek) régóta használatosak a műanyagok gyártásában a polimermátrix szilárdságának és szívósságának növelésére, a gyúlékonyság csökkentésére, vagy egyszerűen a költségek mérséklésére.

4.3. ábra - A Young modulus függése a töltőanyag térfogathányadától agyagásvány/nylon-6 nanokompozitban és hagyományos, üvegszál/nylon-6 kompozitban.

A Young modulus függése a töltőanyag térfogathányadától agyagásvány/nylon-6 nanokompozitban és hagyományos, üvegszál/nylon-6 kompozitban.

Az agyagásvány/polimer nanokompozit előnye kis mennyiségű töltőanyag esetén jelentős. A nagyobb mennyiségben bevitt töltőanyag a kompozit sűrűségét növel(het)i, a mátrix kedvező tulajdonságát, a rugalmasságot vagy az átláthatóságot leront(hat)ja, a kompozitot rideggé teheti. A kisebb térfogathányad az előállításnál is könnyebbséget jelent, így tehát a diszperz fázis a hagyományos technológiákkal bekeverhető a polimerolvadékba (nagyobb mennyiségű töltőanyag ugyanis a polimerolvadék viszkozitását jelentősen megnöveli). Az agyagásvánnyal erősített nylon-6 nanokompozitok fejlesztésében és alkalmazásában a TOYOTA cég játszott úttörő szerepet a múlt század kilencvenes éveiben. Napjainkban több más gépkocsigyártó cég alkalmazza ezeket a nanokompozitokat egyes alkatrészekben.

4.4. ábra - A tiszta PMMA mátrix és 5 tömegszázaléknyi nanoméretű alumínium-oxid szemcsét tartalmazó nanokompozit nyúlási diagramja. A beszúrt ábra a törési felületet mutatja.

A tiszta PMMA mátrix és 5 tömegszázaléknyi nanoméretű alumínium-oxid szemcsét tartalmazó nanokompozit nyúlási diagramja. A beszúrt ábra a törési felületet mutatja.

Polimermátrixú hibrid nanokompozitok. A diszperz agyagásvány-részecskék és a réteges szerkezetű szilikátok nagy jelentőséggel bírnak, jellegzetes képviselőjük a montmorillonit. Kristályrácsuk kétdimenziós rétegekből épül fel, melyek vastagsága 1 nm körül van, oldalirányú kiterjedésük a 30 nanométertől több mikrométerig terjed. Mindegyik réteg tetraéderesen koordinált Si atomokból (szilícium-dioxid tetraéderek) és oktaéderesen koordinált alumínium-hidroxid vagy magnézium-hidroxid síkokból áll. A rétegeket gyenge van der Waals-erők kötik össze, és közöttük kisméretű kationok találhatók, melyek nagyobb méretű szerves kationokra cserélhetők ki. Ennek következtében néhány nanométer vastagságú lemezkék keletkeznek. A részecskék és a polimer közötti kölcsönhatás erősségétől függően háromféle szerkezet jöhet létre: (a) a hagyományos kompozitokra jellemző struktúra, melyekben az agyagásvány-részecske nem esik szét lemezkékre, (b) a réteges szerkezet fellazul és a szilikátrétegek közé egy (vagy néhány) polimerréteg ékelődik be, ezt nevezzük interkalált elrendeződésnek, (c) erős kölcsönhatás is kialakulhat, és a lemezkék egyenletesen oszlanak el a polimermátrixban, ennek neve delaminált elrendeződés. A delamináció során minden részecske több száz vagy ezer lemezre hasad szét. Ilyenkor azonos térfogathányad esetén is drámai módon megnő a szervetlen/szerves határfelület nagysága, erősen lecsökken a lemezkék közötti távolság, és a szerves molekulák nagy részének szervetlen szomszédja lesz. Mindez már aránylag kis (5% vagy kisebb) térfogati hányad esetén is a mechanikai tulajdonságok jelentős javulását eredményezheti. Nagyobb térfogatarány esetén ez a tendencia nem folytatódik, és ugyanennél a mátrixnál nagy mennyiségű (48 w%) hagyományos üvegszál bevitelével a mechanikai tulajdonságok lényegesen jobban javíthatók.

4.5. ábra - Szén nanocsővel (a), korom és réz-klorid keverékével (b) és csak korommal (c) töltött epoxigyanta elektromos vezetőképessége a töltőanyag térfogati hányadának függvényében.

Szén nanocsővel (a), korom és réz-klorid keverékével (b) és csak korommal (c) töltött epoxigyanta elektromos vezetőképessége a töltőanyag térfogati hányadának függvényében.

Sok esetben lényeges követelmény az elektrosztatikus feltöltődés elkerülése, ezért a polimermátrixú kompozitok gyakorlati alkalmazásakor fontos szerepe lehet a kompozit elektromos vezetőképességének. Az elektromosan szigetelő polimermátrix vezetőképességét elektromosan vezető diszperz részecskék beépítésével lehet növelni. Ennek során a részecskék térfogatarányának növelésével többé-kevésbé összefüggő, elektromosan vezető, háromdimenziós hálózat hozható létre (perkoláció). A diszperz részecskék alakja – elsősorban a hossz/átmérő arány – döntő módon meghatározza, hogy milyen térfogathányadnál alakul ki összefüggő hálózat. Ezt a koncentrációt nevezzük perkolációs küszöbnek. A perkolációs küszöb függ a hossz/átmérő aránytól. A nagy alaktényezős (aspect ratio) szén nanocsövek már aránylag kis térfogathányadban is háromdimenziós hálózatot képeznek, és a mátrix elektromos vezetőképességét jelentősen feljavítják. Jelenleg többféle olyan polimermátrixú kompozit kapható a kereskedelemben, melyek szén nanocsöveket tartalmaznak a vezetőképesség javítása céljából.

4.6. ábra - A nyúlási szilárdság és a Young-modulus összehasonlítása a nylon-6 mátrix, a legjobb nylon-6 4% tartalmú nanokompozit és egy hagyományos, nylon-6 mátrixban 48 w% üvegszálat tartalmazó kompozit esetén.

A nyúlási szilárdság és a Young-modulus összehasonlítása a nylon-6 mátrix, a legjobb nylon-6 4% tartalmú nanokompozit és egy hagyományos, nylon-6 mátrixban 48 w% üvegszálat tartalmazó kompozit esetén.

Égésgátlásra alkalmas nanokompozitok. Az új alkalmazási területek jelentős részénél – gépjárműgyártás, elektromos ipar, építőipar, védőruházat – alapvető követelmény a termékek csökkent éghetősége, esetleg teljes égésgátoltsága. A különböző polimertípusok közül egyre inkább előtérbe kerülnek a poliolefinek.