Почему мы любим полимерные нанокомпозиты (и вы тоже должны!)

Полимерные нанокомпозиты - одна из самых актуальных тем в пластиковых технологиях сегодня. Нанокомпозиты - это материалы, которые содержат наноразмерные волокна, удерживаемые в непрерывной фазе, называемой матрицей или смолой. Наночастицы - это частицы размером от 1 до 100 нанометров. (Нанометр - это одна миллиардная метра). Таким образом, пластиковые нанокомпозиты состоят из наночастиц, внедренных в пластиковую смолу и представляют собой почти молекулярную смесь молекул смолы и наноразмерных частиц.

Нанокомпозиты - явление в природе не новое. Большая часть неорганической части почвы состоит из наноматериалов, что дает ей способность отфильтровывать частицы на молекулярном или наноуровне. Наши кости являются примерами нанокомпозита, как и части раковин моллюсков. Например, перламутр (перламутр) состоит из чередующихся слоев неорганического арагонита (CaCO ₃ ) и органический биополимер. Перламутр в два раза тверже и в 1000 раз прочнее, чем входящие в его состав материалы.

В настоящее время наноглины, также называемые наноминералами, являются наиболее часто используемой коммерческой добавкой для приготовления пластиковых нанокомпозитов. Наноглина составляет почти 80% от общего объема производства в мире . Наиболее широко используемая наноглина - это монтмориллонит, очень мягкий минерал, который обычно образует глину из микроскопических кристаллов. Также все большее распространение получают углеродные нановолокна и углеродные нанотрубки. MWCNT, или многослойные углеродные нанотрубки, используются в производстве полупроводников. Кроме того, еще одна группа наночастиц, которые все чаще используются, - это синтетические полиэдрические олигомерные силсесквиоксаны (ПОСС). POSS состоят из атомов кремния и кислорода, связанных вместе в кубической форме, с атомами кремния, занимающими углы. Нановолокна были смешаны с различными полимерами, включая полиамиды (нейлоны), полипропилен, полистирол, эпоксидные смолы, полиуретаны, полиимиды, ПЭТ и другие, для создания полезных полимерных нанокомпозитов.

Так что же делает полимерные нанокомпозиты лучше обычных пластиковых композитов? С механической точки зрения полимерные нанокомпозиты отличаются от обычных композитных материалов из-за их исключительно высокого коэффициента формы и отношения поверхности к объему, а также отношения прочности к массе. Давайте рассмотрим это подробнее:

• Соотношение сторон - это длина / диаметр объекта. Таким образом, частицы с высоким соотношением сторон длинные и тонкие, а частицы с низким соотношением сторон - короткие и широкие. Наночастицы с высоким соотношением сторон обозначаются как (HARNS).

• Отношение поверхности к объему - это площадь поверхности на единицу объема объекта, обратно пропорциональная размеру. Таким образом, материалы с высоким отношением площади поверхности к объему - это материалы малого диаметра или очень пористые. Они реагируют намного быстрее, чем монолитные материалы, потому что для реакции доступна большая площадь поверхности. Простой пример - это соотношение между крупными и мелкими частицами соли. Крупная соль растворяется в воде медленнее, чем мелкие зерна соли, имеющие относительно высокое отношение поверхности к объему.

• Отношение прочности к весу или удельная прочность определяется здесь как сила материала на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность. Нанокомпозиты имеют более высокое отношение прочности к массе, чем композиты, армированные углеродным волокном или стекловолокном. Прочность на растяжение углеродного волокна составляет 6300 МПа с удельной прочностью 2457 кН x м / кг, а у углеродных нанотрубок - 23000 МПа и удельной прочностью 45 268 кН x м / кг. Нанокомпозиты обычно содержат 2-10% загрузок в расчете на массу, однако эти композиты обеспечивают улучшение свойств, которое равно или лучше, чем у традиционных полимерных композитов, содержащих 20-30% минералов или стекла.

Полимерные нанокомпозиты используются во множестве приложений. В качестве примера рассмотрим использование нанокомпозита в анодах литий-ионных батарей. Аноды, изготовленные из нанокомпозита кремний-углерод, обеспечивают более тесный контакт с литиевым электролитом и, таким образом, более быструю зарядку и разрядку энергии. Они также используются в лопастях ветряных мельниц из-за их прочности к весу, а также в автомобилях и самолетах для повышения топливной экономичности.

Используете ли вы полимерные нанокомпозиты в своих приложениях? Расскажите мне об этом в разделе комментариев ниже.

Хотите узнать больше об армированных пластмассах? Загрузите наше бесплатное руководство по высокопрочному пластику.