ПЛАСТИНФО: полимеры, оборудование, упаковка, пластмасса, ПВХ, экструдер, термопластавтомат, полипропилен, полиэтилен

Нанополимерные суперконцентраты

Тема: Сырье

ГК «Олента»

нанополимерные суперконцентратыОдним из перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет является получение полимерных материалов, обладающих комплексом улучшенных или новых свойств. К ним относятся новейшие типы функциональных материалов, называемых полимерными нанокомпозитами, которые могут быть использованы в самых разнообразных отраслях применения полимерных материалов.

Для достижения заданных свойств в полимерные композиты вводят пигменты, ингибиторы, антиоксиданты, пластификаторы, наполнители и др. вещества. В случае нанокомпозитов в полимерную матрицу вводят материалы, состоящие из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д.). Они входят в состав и нанокомпозитов на основе различных глин и полимеров. Несовместимость этих неорганических и органических компонентов — основная проблема, которую приходится преодолевать при создании таких материалов.

Эта проблема может быть решена путем модификации глины органическим веществом. Модифицированная глина (органоглина) имеет преимущества над простой глиной:

1. органоглины хорошо диспергируются в полимерной матрице.
2. органоглины взаимодействуют с цепочкой полимера.

Для создания полимерных нанокомпозитов на основе органоглин используют слоистые природные неорганические структуры, такие как монтмориллонит, гекторит, вермикулит, каолин, сапонит и др. Размеры неорганических слоев составляют порядка 200 нм в длину и 1 нм в ширину. Таким образом, соотношение линейных размеров частиц глин достаточно велико. Эти слои образуют скопления с зазорами между ними, называемыми прослойками или галереями.

Неорганические катионы внутри прослоек могут замещаться другими катионами. Замещение катионными поверхностно-активными веществами, такими, как объёмные аммоний- и фосфоний-ионы, увеличивает пространство между слоями, уменьшает поверхностную энергию глины и придает поверхности глины гидрофобный характер. Модифицированные вышеуказанным путем глины лучше совмещаются с полимерами и образуют слоисто-полимерные нанокомпозиты.

Наряду с ионными органическими модификаторами глин могут быть использованы неионные, которые связываются с поверхностью глины за счет водородных связей. В ряде случаев органоглины, полученные с использованием неионных модификаторов, оказываются более химически стабильными, чем органоглины, полученные с использованием катионных модификаторов.

Посредством введения органоглины в полимерную матрицу, удается улучшить термическую стабильность и механические свойства полимеров. Достигается это благодаря объединению комплекса свойств органического (легкость, гибкость, пластичность) и неорганического (прочность, теплостойкость, химическая устойчивость).

Полимерный нанокомпозит может быть получен тремя основными методами: в растворе, в расплаве и в процессе синтеза полимера.

Существуют и другой метод получения нанокомпозитов такой, как золь-гель процесс. Но для получения полимерных нанокомпозитов на основе органоглин наиболее широко используются методы получения в расплаве и в процессе синтеза полимера.

Нанополимерные суперконцентратыМетод получения полимерных нанокомпозитов в расплаве: состоит в смешении расплавленного полимера с органоглиной. Стоит добавить, что полимерные нанокомпозиты на основе органоглин успешно получают экструзией. Получение полимерного нанокомпозита в процессе синтеза самого полимера заключается в интеркалировании мономера в слои глины. Мономер мигрирует сквозь галереи органоглины, и полимеризация происходит внутри слоев. Реакция полимеризации может быть инициирована нагреванием, излучением или соответствующим инициатором процесс формирования нанокомпозита протекает через ряд промежуточных стадий (рис.1).

На первой стадии происходит образование тактоида – полимер окружает агломераты органоглины. На второй стадии (Интеркаляция) происходит проникновение полимера в межслойное пространство органоглины, в результате чего происходит раздвижение слоев до 2-3 нм. На третьей стадии (Частичная эксфолиация) происходит частичное расслоение и дезориентация слоев органоглины. На последней стадии происходит расшелушивание. (Полная эксфолиация).

На самом деле, в получаемых полимерных нанокомпозитах могут присутствовать все указанные структуры, что зависит от степени распределения органоглины в полимерной матрице. Расшелушенная структура является результатом очень хорошей степени распределения. При избытке органоглины и плохой степени диспергирования возможно присутствие агломератов органоглины в полимерной матрице.

Получение полимерных нанокомпозитов на основе природных нано материалов – это, по сути, революционный процесс в производстве наполненных полимеров.

Применение нанонаполнителей позволяет ОДНОВРЕМЕННО улучшить такие свойства как:

• огнестойкость (температуростойкость)
• ударопрочность
• хим. стойкость
• барьерные свойства (снижение газопроницаемости)

Плюс к этому практически отсутствует увеличение веса полимера и физ.мех. свойства не ухудшаются как при обычных наполнениях, а существенно улучшаются.

Одним из самых существенных технологических достижений в промышленности пластмасс за последние 3-4 года стало развитие полимерных нанокомпозитных материалов, то есть, полимерных смол, содержащих наноразмерные компоненты, например, наноглины или углеродные нанотрубки. Введение от 2% до 5% нанокомпонентов для формирования нанокомпозитного материала является важным новым средством модификации физических свойств смолы. Основными полезными результатами становятся улучшение механических свойств, повышение жесткости и формоустойчивости, улучшение барьерных качеств, повышение огнестойкости и электропроводности. Настойчивые поиски технологий создания новых поколений высокоэффективных материалов осуществляются в интересах многих отраслей промышленности. Самыми широко известными и первыми нашедшими коммерческое применение типами наноразмерных наполнителей являются наноглины (алюмосиликатный материал с наноразмерной зернистостью) и углеродные нанотрубки. Для обоих компонентов необходима химическая модификация с обработкой поверхности, что позволяет достигнуть тонкодисперсной структуры и хорошего сцепления со смолой, это необходимо для получения наибольших полезных результатов. В настоящее время наноглины являются нанокомпонентами, чаще всего используемыми в нанокомпозитных пластиковых материалах, и благодаря их малой стоимости имеет самую широкую коммерческую жизнеспособность. И наноглины, и нанотрубки обеспечивают улучшение конструкционных, тепловых, барьерных и огнестойких качеств пластмасс. Кроме того, углеродные нанотрубки повышают электропроводность материалов. Тем не менее, активно исследуются и разрабатываются прочие возможные наполнители, например, синтетические глины, полиэдральный олигомерный силсесквиоксан, неорганические нанотрубки, наночастицы сульфата бария, наночастицы кремнезема и даже природные волокна, например, льна и конопли.

Наиболее часто используемой наноглиной является слоистый алюмосиликат монтмориллонит (ММТ). В отличие от талька и слюды, ММТ может быть расслоен и диспергирован на отдельные слои толщиной 1 нм и шириной примерно от 70 до 150 нм. Расслаивание вызывает существенное увеличение отношения площади поверхности к объему. Глино-полимерные композиты можно разделить на три типа: обычные композиты, нанокомпозиты с включениями и расслоенные нанокомпозиты. Если в полимере частично разделены частицы ММТ (тактоиды), они называются нанокомпозиты с включениями, а при полном разделении на отдельные пластины они называются расслоенными. Для улучшения диспергирования и смешиваемости с полимерной матрицей глина должна быть предварительно модифицирована, т.е. проведена соответствующая обработка поверхности. После этого тактоиды расслаиваются на пластины в результате возникновения сдвиговых напряжений во время смешения в расплаве полимера или при протекании химических реакций во время полимеризации матрицы. В результате включения ММТ в полимерный композит улучшаются его механические свойства, например, модуль упругости, деформационная теплостойкость и сопротивляемость царапанию, увеличиваются теплостойкость, формоустойчивость и огнестойкость; при полном расслоении глины достигаются наилучшие характеристики. Химический состав глины обуславливает наличие на поверхности пластин неорганических катионов, придающих поверхности высокую гидрофильность, и соответственно, несовместимость со многими полимерными смолами. Для успешного образования глино-полимерного нанокомпозита, следует провести соответствующую обработку поверхности, снизив полярность глины, чтобы сделать глину «органофильной».

Органофильная глина может быть получена из гидрофильной глины путем замещения неорганических катионов органическими, например, ионами алкиламмония. Кроме ММТ возможно использование других глин, включая гекториты (магнийсиликаты), пластины в которых очень малы, и синтетические глины (например, гидроталькит), которые могут быть получены в очень чистом виде, поверхность их пластин может нести положительные заряды в отличие от отрицательных зарядов на поверхности ММТ.

Технологические процессы и свойства наноглин

Нанополимерные суперконцентратыВыбираемый для производства нанокомпозита технологический процесс зависит от необходимости получения конечного материала с включениями или расслоенной композиции. При формировании необходимого материала, для обеспечения эффективного проникновения полимера или его предшественника в межслойные зазоры глины важен правильный выбор модифицированной глины. Полимер может быть включен в тактоиды в виде расплава полимера или мономера, который затем полимеризируется in situ (на месте). Последний технологический процесс, реализуемый в настоящее время более успешно, отличается высокой стоимостью, что может ограничить применение таких систем. При создании расслоенного нанокомпозита, процесс внедрения полимера во время смешения в расплаве при экструзии (компаундировании) зависит от сдвигового усилия, облегчающего расслоение глины, и может быть менее эффективен, чем полимеризация in situ. В нанокомпозиты могут быть введены как термореактивные, так и термопластичные полимеры, включая нейлоны, полиолефины, например, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат (ПЭТ), сополимеры этиленвинилацетата (ЭВА), полиимиды, полиуретаны и эпоксидные смолы. Поскольку толщина расслоенных пластин ММТ составляет приблизительно 1 нм, что меньше длин волн видимого света, они являются прозрачными частицами, это важное свойство при применении для производства упаковочных материалов. Кроме того, пластины частиц глины способствуют кристаллизации полимера и создают более извилистые пути диффузии. Благодаря этому в пластиковых нанокомпозитах улучшаются барьерные характеристики по отношению к различным газам. Способность пластиковых нанокомпозитов к углеобразованию уменьшает необходимое количество вводимых антипиренов. Это позволяет изготавливать огнестойкие полиолефиновые нанокомпозиты, имеющие меньшую стоимость при сохранении эквивалентной огнестойкости. Наноармирование пластинами глины повышает жесткость и прочность, а также значительно уменьшает усадку.

Источник: ГК «Олента»

Источник:

URL: http://plastinfo.ru/information/articles/277/