Waarom we van polymere nanocomposieten houden (en dat zou jij ook moeten doen!)

Polymeer-nanocomposieten zijn tegenwoordig een van de meest besproken onderwerpen in de kunststoftechnologie. Nanocomposieten zijn materialen die vezels op nanoschaal bevatten die in een continue fase worden vastgehouden, een matrix of hars. Nanodeeltjes zijn deeltjes die tussen de 1 en 100 nanometer groot zijn. (Een nanometer is een miljardste van een meter). Dus plastic nanocomposieten zijn gemaakt van nanodeeltjes ingebed in plastic hars en zijn een bijna moleculair mengsel van harsmoleculen en deeltjes op nanoschaal.

Nanocomposieten zijn geen nieuw fenomeen in de natuur. Een groot deel van het anorganische deel van de bodem bestaat uit nanomaterialen, waardoor het deeltjes op moleculair of nanoniveau kan uitfilteren. Onze botten zijn voorbeelden van een nanocomposiet, net als delen van schelpen van weekdieren. Parelmoer (parelmoer) is bijvoorbeeld opgebouwd uit afwisselende lagen anorganisch aragoniet (CaCO₃ ) en een organisch biopolymeer. Parelmoer is twee keer zo hard en 1000 keer zo taai als de samenstellende materialen.

Momenteel zijn nanoklei, ook wel nanomineralen genoemd, het meest gebruikte commerciële additief voor de bereiding van plastic nanocomposieten. Nanoclays zijn goed voor bijna 80% van het totale volume dat wereldwijd wordt geproduceerd. De meest gebruikte nanoklei is montmorilloniet, een zeer zacht mineraal dat typisch een klei van microscopisch kleine kristallen vormt. Ook winnen in commercieel gebruik zijn koolstof nanovezels en koolstof nanobuisjes. MWCNT's, of meerwandige koolstofnanobuisjes, worden gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiders. Bovendien is een andere groep nanodeeltjes die in gebruik groeit, synthetische polyedrische oligomere silsesquioxanen (POSS). POSS zijn gemaakt van silicium- en zuurstofatomen die in een kubusvorm met elkaar zijn verbonden, waarbij siliciumatomen de hoeken bezetten. Nanovezels zijn gemengd met een verscheidenheid aan polymeren, waaronder polyamiden (nylons), polypropyleen, polystyreen, epoxyharsen, polyurethanen, polyimiden, PET en andere om bruikbare nanocomposieten van polymeer te maken.

Dus wat maakt polymeer nanocomposieten beter dan gewone plastic composieten? In mechanische termen verschillen polymeer-nanocomposieten van conventionele composietmaterialen vanwege hun uitzonderlijk hoge aspectverhouding en oppervlakte-volumeverhoudingen, evenals hun sterkte-gewichtsverhoudingen. Laten we dit verder onderzoeken:

• De beeldverhouding is de lengte/diameter van een object. Dus deeltjes met een hoge aspectverhouding zijn lang en slank, terwijl die met een lage aspectverhouding kort en breed zijn. Nanodeeltjes met een hoge aspectverhouding worden (HARNS) genoemd.

• De oppervlakte-tot-volumeverhouding is de hoeveelheid oppervlakte per volume-eenheid van een object en is omgekeerd evenredig met de grootte. Dus materialen met een hoge oppervlakte tot volumeverhouding zijn die met een kleine diameter of zeer poreus. Deze reageren veel sneller dan monolithische materialen omdat er meer oppervlakte beschikbaar is om te reageren. Een eenvoudig voorbeeld is tussen grove versus fijne zoutdeeltjes. Grof zout lost langzamer op in water dan fijne zoutkorrels die een relatief hoge oppervlakte/volume verhouding hebben.

• De sterkte-gewichtsverhouding of specifieke sterkte wordt hier gedefinieerd als de kracht van een materiaal per oppervlakte-eenheid bij breuk gedeeld door de dichtheid. Nanocomposieten hebben een hogere sterkte-gewichtsverhouding dan koolstofvezel of glasvezelversterkte composieten. De treksterkte van koolstofvezel is 6.300 MPa met een specifieke sterkte van 2.457 kN x m/kg, terwijl die van koolstofnanobuisjes 23.000 MPa is en een specifieke sterkte van 45.268 kN x m/kg.  Nanocomposieten bevatten doorgaans 2-10% ladingen op gewichtsbasis, maar deze composieten leveren eigenschappenverbeteringen op die gelijk zijn aan of beter zijn dan traditionele polymeercomposieten die 20-30% mineraal of glas bevatten.

Polymeer nanocomposieten worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen. Laten we als voorbeeld eens kijken naar het gebruik van nanocomposiet in de anodes van lithium-ionbatterijen. De anodes gemaakt van een silicium-koolstof nanocomposiet maken een nauwer contact met de lithiumelektrolyt mogelijk en dus sneller opladen en ontladen van stroom. Ze worden ook gebruikt in wieken van windmolens vanwege hun sterkte-gewichtsverhouding en in auto's en vliegtuigen om het brandstofverbruik te verbeteren.

Gebruikt u polymeer nanocomposieten in uw toepassingen? Vertel me erover in de comments hieronder.

Geïnteresseerd om meer te weten te komen over versterkte kunststoffen? Download onze gratis gids voor hoge sterkte kunststof.