"Nanoglina" este termenul general acceptat pentru un mineral argilos cu o structură filosilică sau de foi a cărui grosime este de ordinul a 1 nm, iar dimensiunile liniare ale suprafeței sunt de 50-150 nm. Baza minerală poate fi atât naturală, cât și sintetică, și este hidrofilă. Suprafața de lut poate fi modificată cu diferite substanțe chimice pentru a le da proprietăți organofile și astfel a face compatibilă cu polimerii organici. Suprafața nanoclatiilor este foarte mare, aproximativ 750 m 2 · g -1. Atunci când cantitățile mici se adaugă la matricea de polimeri, materialul rezultat se numește "nanocompozit".
Conceptul de nanocompozite, aparent, are studiile de pionieră ale sursei efectuate de compania japoneză Unitika Ltd. în anii '70. și independent în laboratoarele centrale de cercetare și dezvoltare ale Toyota la sfârșitul anilor 1980. Teoria sa bazat pe faptul că, în cazul în care nanoargilelor poate fi dispersat complet sau fracționat talere cu un raport ridicat de aspect cu numerele lor relativ mici (2-5 gr.%) În polimerii, ar fi îmbunătățită o serie de proprietăți mecanice și de barieră ale acesteia din urmă. Muncă originală, ca și în Unitika. și în Toyota CRDL. sa bazat pe procesul de preparare a nanocompozitelor din insulă de nylon-6. În această metodă, naglinul a fost introdus în stadiul monomerului de caprolactamă și caprolactamul a fost introdus în canalele de lut.
În condiții adecvate, caprolactamul polimerizează în reactor, plăcile se extind și devin elemente stratificate în cea mai mare parte a polimerului. Toyota a raportat că materialele NCH (nanocompozit de nylon-6 / hibrid de argilă) prezintă o îmbunătățire semnificativă a proprietăților mecanice, termice și barieră la gaz, cu adăugarea de 2-5% în greutate. montmorillonit. Toyota CRDL a creat, de asemenea, nanocompozite de nylon-6 / argilă (NCC) prin metoda formării compușilor în topitură.
Alte metode nanocompozite de fabricație includ prelucrarea folosind solventul în care cosolventul este utilizat pentru a facilita introducerea monomerului în canalele, urmată de îndepărtarea din sistemul polimeric precum și metode de intercalare directă în topitura de polimer la adăugarea directă a nano-argilă în polimer se topesc la forfecare condiții și, la temperaturi ridicate temperaturi, ceea ce permite o exfoliere directă în polimer.
Multe argile bazate pe nano-argilă smectite cum ar fi montmorilonit - hidroxid, silicat de sodiu hidratat, calciu, aluminiu, magneziu, (Na, Ca) (Al, Mg) 6 (Si4O10) 3 (OH) 6 · n H2O. Montmorillonitul se găsește în cantități mici în întreaga lume în starea sa geologică naturală.
În depozitele mari în care mineralul este prezent în concentrații de peste 50% într-un amestec cu multe alte minerale, acesta este cunoscut ca bentonita. Depozitele industriale semnificative de bentonită se găsesc în diferite regiuni geologice, variind de la Statele Unite (în special, până la Wyoming) și în Europa de Est, Orientul Mijlociu, China și așa mai departe.
montmorillonit argilă naturală sunt adesea rezultatul modificării in situ de cenușă vulcanică stânga după erupțiile vulcanice din vest și în apropierea coastei Pacificului a Statelor Unite în perioada Cretacicului (85-125 milioane de euro. Cu ani în urmă). Opiniile despre timpul și natura procesului de modificare a cenușii de argilă diferă. Evident, transformarea a început atunci când a intrat în contact cu apa. Instabilitatea de cenușă duce la dizolvarea și reacțiile sale ușoare cu elementele chimice ale apei de mare. Poate că cel mai important și singur factor care afectează formarea lutului a fost disponibilitatea unei cantități suficiente de magneziu în mediul sedimentului marin. Ca urmare, schimbările chimice și structurale au avut loc pe parcursul întregii istorii geologice a depozitelor. Se estimează că depozitele pregătite, de exemplu, în Wyoming conțin mai mult de 1 miliard de tone de lut disponibil.
Există hărți geologice ale zonelor de pe Glob unde s-au găsit argile. Astfel de hărți și fotografiile aferente și hărțile topologice ajută la luarea deciziilor privind forajul exploratoriu. Această activitate a fost numită forarea "gropilor", iar primul său pas este găurile de foraj în centrul secțiunilor cu o dimensiune liniară de 15-90 de metri. Utilizarea poziționării globale prin satelit (GPS) asigură precizia topologiei în câțiva centimetri.
În funcție de volumul de cenușă depozitat, adâncimea depozitului poate varia de la câțiva centimetri până la câțiva metri, iar lungimea poate ajunge până la sute de metri. Datele din forajul găurii dau profilul depozitului și, în consecință, este selectat echipamentul minier.
După îndepărtarea rocilor de acoperire, straturile de lut se formează în discuri și se usucă la soare înainte de extracție. Argila este îndepărtată din mina în straturi și stratul este așezat pe strat. Aceste structuri sunt construite foarte precis pentru a asigura uniformitatea maximă a argilei brute.
Argila de tip montmorilonit este separată de mineralele nemetalice, cum ar fi cuarțul, pietrișul și calcarul, urmate de tratamentul de suprafață. Pentru a produce argila montmorilonit în stare stratificată, se utilizează cantități mari de apă, astfel încât particulele mari să poată fi îndepărtate prin intermediul echipamentului de separare.
Modificatorul organic utilizat pentru tratarea suprafețelor este de obicei compuși cuaternari de amoniu, deși este posibil să se ia în considerare utilizarea altor ioni de oniu, de exemplu fosfoniu. Reacția care apare este schimbul de ioni, în timpul căruia sarea cuaternară încărcată pozitiv înlocuiește cationii de sodiu de pe suprafața lutului. Ca rezultat al reacției, lutul este transformat într-un organoclayer, schimbându-și natura hidrofilă într-una hidrofobă.
Argilele sintetice pot fi preparate din diferite surse chimice care conțin elementele necesare, și anume siliciu, oxigen, aluminiu, magneziu și altele. Argilele naturale par să aibă avantajul costului inerent al materiei prime, dar capacitatea de a controla puritatea, densitatea sarcinii și dimensiunea particulelor este în acest caz legată de dificultăți obiective.
Singura lut sintetic care a fost pe piață de mai mulți ani este mica sintetică, preparată din materii prime naturale, talc, care este procesat într-un cuptor electric cu temperatură ridicată cu fluorosilicat alcalin. Structura sa chimică este următoarea: NaMg2.5 SiO4O10 (Fα OH1-α) 2 (0,8 ≤ α ≤ 1,0).
Siliciul și oxigenul sunt prezente în toate mineralele argiloase, iar acestea sunt combinate în diverse moduri, cu alte elemente, cum ar fi aluminiu, magneziu, fier, sodiu, calciu și potasiu, în care legătura dintre elementele pot forma o varietate de configurații diferite. O proprietate distinctă importantă a mineralelor argiloase este capacitatea unor argile de a schimba volumul atunci când moleculele de apă sunt absorbite de la ceilalți ioni polari din structura lor. Aceasta se numește abilitatea de a se umfla. Argilele sunt împărțite în materiale de umflare și non-umflături; Argilele de lut se numesc smetiți. Printre numeroasele smetiți, montmorilonita pare a fi baza cea mai potrivită pentru nanoclazii.
Siliconul este componenta dominantă a argilelor montmorilonite; contribuția aluminiului este, de asemenea, semnificativă. Argilele au o structură de strat constând din foi de două tipuri: straturi de tetraedru de silice și straturi de octaedra de alumină. Stratul de tetraedru de silice constă din grupe de SiO4 legat într-o rețea hexagonală de unități repetate ale compoziției Si4O10. Stratul de alumină este alcătuit din două foi de atomi de oxigen sau de hidroxiluri cu umiditate apropiată, între care atomii de aluminiu în coordonare octaedrică sunt încorporați în poziții echidistant de la șase oxigenați sau hidroxili. Două straturi tetraedrice formează o structură tip sandwich cu un strat octaedric, având oxigenați apicali împreună cu acesta din urmă. Aceste trei straturi formează o frunză de lut.
Dacă pozițiile octaedrice sunt ocupate de alumină, structura nu se referă la montmorilonit, ci la piroliitul mineral inert. Astfel, fenomenul de substituție izomorfă este extrem de important pentru structura argilor. Înlocuirea aluminiului trivalent cu magneziu divalent sau cu fier (II) duce la o încărcare negativă a cristalului. Încărcarea negativă excesivă este compensată pe suprafața lutului de cationi care sunt prea mari pentru a se integra în interiorul cristalului. În plus, la pH scăzut al mediului, muchiile cristalului de lut sunt încărcate pozitiv și sunt compensate de către anioni.
Pentru a transforma montmorilonitul de lut într-un nanoclay compatibil cu polimerii organici, se efectuează un proces de schimb de ioni pentru tratarea suprafeței. În mod tipic, se utilizează un cation organic cum ar fi clorura de amoniu cuaternar, care modifică caracteristicile hidrofile / hidrofobe ale lutului.
Caracteristicile tipice ale argilei montmorilonite sunt următoarele:
• formă: plăci;
• Dimensiune: grosime 1 nm, dimensiune transversală 75-150 nm;
• încărcare: celula unică are o încărcătură de 0,5-0,75 92 miliechivalenți / 100 grame de lut;
• Suprafață:> 750 m 2 · g -1;
• greutate specifică 2,5 (inferior pentru bentonite de amoniu cuaternar de amoniu);
• Particule: greu sub forfecare, nu abrazivă (duritatea Mohs 1-2).
Nanoglinele sunt produse industriale relativ noi și, prin urmare, structura costurilor / prețurilor lor nu a fost încă stabilită. Cantitățile vândute sunt mici și reflectă specificitatea și politicile de stabilire a prețurilor nerezolvate. Odată cu creșterea și "maturarea" pieței, se așteaptă ca prețurile pentru aceste materiale să se situeze în intervalul 2-4 USD pe kilogram (4,5-9 dolari SUA / kg).
Nano-argilele, în plus față de funcția lor primară ca amplificatoare cu un raport de aspect mare, realizează funcții suplimentare importante datorită proprietăților lor termice și barieră, precum și a agenților ignifugi sinergici. Unii dintre factorii care asigură proprietățile lor bune în nanocompozite sunt:
• laminare (surfactant și polimer);
• aderența sau umectabilitatea interfacială;
• stratificarea (dispersia și distrugerea structurii stratificate).
În anumite condiții, canalele spațiale pot fi umplute cu un monomer, oligomer sau polimer. Aceasta mărește distanța dintre plăci, determinând umflarea lutului. Placile din argila, umflate cu un polimer, se numesc "intercalate". Dacă lutul se umflă atât de mult încât nu poate rămâne sub formă de oprire, ei spun că este "exfoliat".
Dimensiunea nominală a unei particule uscate nanoclay este de aproximativ 8 pm. O parte din particulă este de aproximativ 1 milion de plăci de argilă, alcătuite din mănunchiuri de plăci numite "tactoide". Cu ajutorul unei combinații de metode chimice și metode de prelucrare / forfecare, particula este împărțită în tactoide, plăcile sunt eliminate din tactoide și complet dispersate sau exfoliate.
Principala caracteristică atractivă a nanocompozitelor de lut / polimer este faptul că cantități mult mai mici de nanoclay pot fi utilizate pentru a spori proprietățile funcționale ale polimerului fără a afecta alte caracteristici cheie. Evident, una dintre principalele sarcini a fost de a dezvolta produse complet stratificate pentru a obține avantaje maxime din nanoclame. În timpul procesului de dispersie, particulele sunt împărțite în tactoide, iar plăcile sunt exfoliate din tactoide și apoi complet dispersate sau exfoliate în matrice. La formarea compusului, parametrii importanți ai procedeului sunt: poziția locului de încărcare a lutului, tipul extruderului cu două șuruburi și structura / viteza burghierilor.
Setul de sisteme cu matrice potențiale, inclusiv poliamide, poliolefine, PVC, TPU, PLA, EVA, ionomerii, produse din cauciuc și amestecurile de polimeri de reciclare sunt discutate în ceea ce privește introducerea în acesta nanoclays. Deși exfolierea a fost obținută în multe polimeri, aceasta nu a condus la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților mecanice (cu excepția modulului). Interesul crescut în conceptul de nanocompozite nu a dus încă la o abundență de produse industriale. Cu toate acestea, producția crește, deoarece producătorii, procesatorii și utilizatorii dobândesc mai multă experiență în manipularea produselor și găsirea de aplicații industriale potențiale. Ca întotdeauna, atunci când apare o nouă tehnologie sau un produs, este necesar să se depășească dificultățile. De exemplu, uneltele necesită unele modificări structurale, gradul de contracție schimbat, iar compoziția coloranților a trebuit să fie modificată. producția de nanocompozit a avut, de asemenea, o problemă: introducerea unei mici cantități de nano-argilă în TIC necesită o bună distribuție și dispersie a produsului uscat în topitură de polimer, astfel încât argila poate fi exfoliate semnificativ.
Următoarele sunt exemple suplimentare ale naturii multifuncționale a nanoclays:
Nanonailon-6 a fost pus în producție de Unitika pentru capacele motorului, care necesită o temperatură semnificativ mai ridicată a deformării termice decât cea realizată cu nailon-6. Când 4% în greutate. rezistenta la caldura mica deformabila (la 1,8 MPa) a crescut de la 70 ° C pentru nylonul pur-6 la 152 ° C. În plus, rezistența la încovoiere a crescut de la 108 la 158 MPa, iar modulul de flexiune a crescut de la 3,0 la 4,5 GPa.
Nanocompozitele au demonstrat o scădere a inflamabilității, în special datorită reducerii eliberării de căldură de vârf. În combinație cu materialele ignifuge convenționale, cum ar fi hidroxidul de magneziu sau hidroxidul de aluminiu au fost dezvoltate, unele produse din sârmă și cablu pe bază de poliolefine, care cuprinde 5% pentru a reduce nano-argilă conținutul materialelor ignifuge convenționale necesare pentru a îmbunătăți proprietățile fizice.
Trimiteți-le prietenilor: