Rola i znaczenie nanokompozytów polimerowych

Nanokompozyty polimerowe zdobyły w ostatnich latach dużą popularność. Możliwości jakie stwarzają są istotne zarówno dla przetwórców tworzyw jak i użytkowników.

Jeśli chodzi o nanokompozyty, to pierwsze prace badawcze zainicjowano nad nimi w połowie ubiegłego wieku. Wykorzystywano w praktyce wzmacniające i przewodzące właściwości sadz w gumie oraz obniżano opornopowierzchniową i skrośną tworzyw sztucznych, głównie mowa tu o polietylenie wysokiej gęstości. W tej chwili można dokonać podziału nanokompozytów na trzy grupy, jeśli za kryterium weźmie się rodzaj matrycy (osnowy). Będą to nanokompozyty: metaliczne, ceramiczne i najbardziej nas interesujące polimerowe.

Nanokompozyty polimerowe otrzymywane są w wyniku zdyspergowania w matrycy polimerowej niewielkiej ilości modyfikatorów rozdrobnionych do wymiarów kilku nanometrów. Konkretnie fulerenów lub barwników organicznych lub też montmorylonitu lub krzemionki. Poprawia to wiele właściwości polimeru.

Metody otrzymywania nanokompozytów polimerowych to polimeryzacja, mieszanie w roztworze oraz mieszanie w stanie stopionym.

Produkcja nanokompozytów polimerowych wynosi obecnie 1,5 tys. ton, z czego 1 tys. ton to poliamidy wzmacniane MMT i przeznaczone dla przemysłu opakowaniowego i samochodowego, a pozostałe 0,5 tys. ton to nanokompozyty wzmacniane nanorurkami węglowymi na bazie PPO/poliamidu do produkcji części samochodowych.

Mówiąc o zaletach nanokompozytów polimerowych, to w pierwszym rzędzie wymienić tu należy takie cechy jak zwiększona sztywność bez utraty udarności; stabilność wymiarowa; poprawa efektu barierowego oraz zwiększona stabilność termiczna i odporność na działanie ognia.

Inne właściwości tych materiałów to także dobre właściwości optyczne, gdyż cząstki napełniaczy o średnicy mniejszej od długości fal świetlnych nie stanowią dla nich zapory; ograniczenie defektów powierzchniowych wyrobów; a także podwyższona lepkość i stopień krystalizacji w stosunku do polimeru wyjściowego. Wymieniając z kolei wady nanokompozytów wspomnieć trzeba o ich niemałej cenie, trudnościach z uzyskaniem dużego i równomiernego stopnia zdyspergowania w polimerze oraz skłonnościach nanonapełniacza do aglomerowania.

Nanokompozyty PA6 polecane są do produkcji opakowań. Dzieje się tak ze względu na ich właściwości barierowe, które eliminują praktycznie przenikalność tlenu.

Jeśli chodzi o materiały dla opakowań, to w Europie ok. 37 proc. ilości tworzyw sztucznych zużywa się do produkcji opakowań. Nanokompozyty wykonuje się głównie z polietylenu, polipropylenu, poliamidu oraz innych tworzyw, takich jak PS, PET, EVA, PMMA i PC. Największe zapotrzebowanie przewidywane jest dla tych na bazie poliolefin, zwłaszcza polipropylenu. Rodzaj napełniacza dobiera się w zależności od oczekiwanych zmian właściwości.

W tekście wspomniano już o takim materiale jak montmorylonit (MMT). To krzemian warstwowy.

Montmorylonit (MMT) stanowi 60-95 proc. minerału o nazwie bentonit. Może on absorbować wodę w ilości odpowiadającej 6-krotności jego wagi. Montmorylonit zmodyfikowany za pomocą czwartorzędowych soli amoniowych staje się hydrofobowy i organofilowy, co umożliwia absorpcję takiej samej ilości cieczy organicznych, np. olejów. Zmodyfikowany MMT jest kompatybilny w stosunku do polimerów i stosowany jako ich napełniacz.

Pomiędzy hydrofilowe warstwy montmorylonitu łatwo penetruje woda. Dlatego może on być zdyspergowany w wodzie w postaci płytek o grubości rzędu 1 nm. Można wyobrazić sobie, że 1 g płytek MMT ułożonych obok siebie utworzy linię do długości równej obwodowi kuli ziemskiej.

Jeśli chodzi o wytwarzanie kompozytów polimerowych na bazie mmt kompozytów, to trzeba zauważyć, że do wrabiania MMT mogą być wykorzystane takie maszyny jak wytłaczarki dwuślimakowe ze współbieżnymi ślimakami oraz mieszarki zamknięte zapewniające przykładanie sił ścinających wystarczających dla osiągnięcia koniecznej dyspersji składników. Jeżeli nie można zagwarantować równomiernego dozowania 2-5 proc. napełniacza, to można użyć go w postaci 20-30 proc. koncentratu w polimerze.

Jeśli chodzi o konkretne sposoby użycia wspomnianego materiału, to Eastman rozwinął już produkcję kompozytów PET, dla butelek na piwo i soki owocowe. Wysoko barierowa warstwa preformy, znajdująca się pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną warstwą PET, składa się z aromatycznego poliamidu napełnionego kilkoma procentami MMT.

Innym przykładem są nanokompozyty E/VAL, które również mogą być wykorzystane do produkcji wielowarstwowych opakowań, odpornych na przenikanie gazów. Dzieje się tak, gdyż występująca tam redukcja przepuszczalności tlenu o ok. 75 proc. Nanokompozyty E/VAL stanowią barierę także dla węglowodorów, co jest ważne przy produkcji zbiorników na paliwo.

Toyota stosuje nanokompozyty na bazie PA do produkcji zbiorników paliwowych jako wewnętrzną ich warstwę w rozdmuchu wielowarstwowym. Zewnętrzne warstwy wykonane są z polietylenu wysokiej gęstości.

Opakowania to nie jedyny zakres, w którym montmorylonit znajduje uznanie.

Folie zawierające 3-5 proc. MMT wykazują ograniczoną przenikalność tlenu i pary wodnej. MMT powoduje, że molekuły gazu muszą przebyć dłuższą drogę. Jest to tzw. efekt labiryntu. Równoległa orientacja warstw krzemianowych zostaje zachowana w procesie przetwórczym.

Warto wspomnieć w tym kontekście, że koncerny Bayer AG i UBE oferują granulaty PA 6 do produkcji folii opakowaniowych o przenikalność tlenu bliskiej zera. Honeywell oferuje wielowarstwową folię napełnioną MMT o współczynniku kształtu 1000 –15 000. Znajduje ona zastosowanie przy pakowaniu serów i mięsa.

Obecnie nanokompozyty polimerowe oferowane są już w ilościach handlowych. Dlatego możliwości jakie stwarzają są istotne zarówno dla przetwórców tworzyw jak i użytkowników. Wprowadzenie kilku procent lub mniej nanonapełniacza do polimerów umożliwia poprawę ich właściwości mechanicznych, barierowych czy optycznych. Prognozy rozszerzenia rynku takich kompozytów są obiecujące. Kilka firm planuje uruchomienie dużej produkcji w tym zakresie. Co ważne dodatkową zaletą przemawiającą za nanokompozytami polimerowymi jest możliwość wykorzystania przy nich istniejących już maszyn przetwórczych.