07 nanokompoziti i nanotehnika

Dan Novih Tehnologija – DaNTe 2011Dan Novih Tehnologija – DaNTe 2011

NANOKOMPOZITI I NANOTEHNIKANANOKOMPOZITI I NANOTEHNIKA

Prof. dr. sc. Mladen ŠercerProf. dr. sc. Mladen Šercer

3. studenoga 2011.3. studenoga 2011.Gradska vijećnica, RijekaGradska vijećnica, Rijeka

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

DaNTe 2011DaNTe 2011

SadržajSadržaj

UvodUvod NanokompozitiNanokompoziti Polimerne matricePolimerne matrice NanopunilaNanopunila PreradbaPreradba SvojstvaSvojstva PrimjenaPrimjena ZaključakZaključak



NanotehnikaNanotehnika

“ “ The impact of nanotechnology on The impact of nanotechnology on health, wealth, and the standard of health, wealth, and the standard of living people will be at least the living people will be at least the equivalent of the combined equivalent of the combined influences of microelectronics, influences of microelectronics, medical imaging, computer-aided medical imaging, computer-aided engineering, and man-made engineering, and man-made polymers in this century.” polymers in this century.”

(Richard E. Smalley, (Richard E. Smalley, 1999)1999)



Razvoj nanotehnikeRazvoj nanotehnike



Načini izradbe nanotvorevinaNačini izradbe nanotvorevina



Opća klasifikacija materijalaOpća klasifikacija materijala

POLIMERIPOLIMERI

METALIMETALI KERAMIKEKERAMIKE

KOMPOZITIKOMPOZITI

KOMPOZITI



Definicija nanokompozitaDefinicija nanokompozita

Višefazni (kompozitni) materijal u kojem je Višefazni (kompozitni) materijal u kojem je barem jedna komponenta barem jedna komponenta submikronskih submikronskih dimenzija (< 100 nm)dimenzija (< 100 nm)

Potpuno novi materijal kojem Potpuno novi materijal kojem komponente/strukture nanometarskih komponente/strukture nanometarskih dimenzija daju posebna svojstva koja ne dimenzija daju posebna svojstva koja ne posjeduju klasični (mikro)kompoziti ili posjeduju klasični (mikro)kompoziti ili komponente zasebnokomponente zasebno



Polimerni nanokompozitiPolimerni nanokompoziti

Tvorevine kod kojih su punila ili Tvorevine kod kojih su punila ili ojačavala nanometarskih dimenzija ojačavala nanometarskih dimenzija raspršena u polimernoj matriciraspršena u polimernoj matrici

Nanočestice (3D)Nanočestice (3D) Nanopločice (2D)Nanopločice (2D) Nanocjevčice (1D)Nanocjevčice (1D)



Nanopunila/ojačavalaNanopunila/ojačavala

Tipična nanopunila/ojačavala: Tipična nanopunila/ojačavala: slojevita punila (s nanometarskom slojevita punila (s nanometarskom

debljinom slojeva i pločastom debljinom slojeva i pločastom strukturom, npr. alumino-silikati)strukturom, npr. alumino-silikati)

vlaknasta ojačavala (ugljikove vlaknasta ojačavala (ugljikove nanocjevčice i nanovlakna)nanocjevčice i nanovlakna)

nanočestice (čađa, SiOnanočestice (čađa, SiO22 čestice čestice nanometarskih dimenzija, poliedrijski nanometarskih dimenzija, poliedrijski silseskvioksani i sl.).silseskvioksani i sl.).



Prednosti nanokompozitaPrednosti nanokompozita

Tradicionalni kompoziti: punila su Tradicionalni kompoziti: punila su mikrometarske veličinemikrometarske veličine

Polimerno klupko – promjer = 40 nm, Polimerno klupko – promjer = 40 nm, nanopunila su približno istog reda nanopunila su približno istog reda veličineveličine

Molekulna interakcija između polimera i Molekulna interakcija između polimera i nanopunila daje polimernom nanopunila daje polimernom nanokompozitu svojstva koja nanokompozitu svojstva koja konvencionalni polimeri ne posjeduju. konvencionalni polimeri ne posjeduju.



Nužan uvjetNužan uvjet

Dobro raspršenje nanočestica u matriciDobro raspršenje nanočestica u matrici pravipravi nanokompozit pri relativno niskim nanokompozit pri relativno niskim koncentracijama punila (od 3 vol. % do 5 koncentracijama punila (od 3 vol. % do 5 vol. % za tipične slojevite silikate ili 1 vol. vol. % za tipične slojevite silikate ili 1 vol. % za nanocjevčice). % za nanocjevčice).

Bez dobrog raspršenja ni nanometarska Bez dobrog raspršenja ni nanometarska geometrija punila ni njihova ultravelika geometrija punila ni njihova ultravelika površina ne dolaze do izražaja površina ne dolaze do izražaja rezultirajući kompozit ubraja se u klasu rezultirajući kompozit ubraja se u klasu klasičnih kompozita (unatoč klasičnih kompozita (unatoč nanometarskoj veličini čestica)nanometarskoj veličini čestica)



Polimerne matricePolimerne matrice

Plastomeri:Plastomeri: linearna ili granata linearna ili granata makromolekulna struktura makromolekulna struktura PS, PS, PVC, PP, PC, PPO, PMMA, PE, PA, PVC, PP, PC, PPO, PMMA, PE, PA, PAN…PAN…

Duromeri:Duromeri: gusto prostorno umrežena gusto prostorno umrežena struktura struktura fenolne smole, fenolne smole, epoksidne smole, aminosmoleepoksidne smole, aminosmole

Elastomeri:Elastomeri: rahlo umrežena struktura rahlo umrežena struktura prirodni kaučuk, SBR prirodni kaučuk, SBR


DaNTe 2011DaNTe 2011Primjena polimernih Primjena polimernih nanokompozitananokompozita

Automobili (spremnici za gorivo, odbojnici...)Automobili (spremnici za gorivo, odbojnici...) Elektronika i elektrika (tiskane pločice, Elektronika i elektrika (tiskane pločice,

električke komponente)električke komponente) Ambalaža (nepropusnost Ambalaža (nepropusnost spremnici, spremnici,

filmovi)filmovi) Kozmetika (kontrolirano otpuštanje “aktivnih Kozmetika (kontrolirano otpuštanje “aktivnih

komponenata”)komponenata”) Stomatologija (materijali za punjenje)Stomatologija (materijali za punjenje) Okoliš (biorazgradljivi materijali)Okoliš (biorazgradljivi materijali) Sredstva za zaštitu od gorenjaSredstva za zaštitu od gorenja ......


DaNTe 2011DaNTe 2011Svojstva polimernih Svojstva polimernih nanokompozitananokompozita

Poboljšana svojstvaPoboljšana svojstva Mehanička svojstva Mehanička svojstva

(rastezna čvrstoća, (rastezna čvrstoća, krutost, žilavost)krutost, žilavost)

Nepropusnost na Nepropusnost na plinoveplinove

Dimenzijska Dimenzijska stabilnoststabilnost

Toplinska Toplinska provodnostprovodnost

Kemijska postojanostKemijska postojanost OjačavanjeOjačavanje

NedostatciNedostatci Povišenje Povišenje

viskoznosti viskoznosti (ograničenje (ograničenje preradljivosti) preradljivosti)

Poteškoće pri Poteškoće pri dispergiranju i dispergiranju i raspodjeli u matriciraspodjeli u matrici

SedimentacijaSedimentacija Degradacija Degradacija

polimerne matricepolimerne matrice



NanopunilaNanopunila

ugljikova nanovlakna (CNF)ugljikova nanovlakna (CNF) ugljikove nanocjevčice (CNT)ugljikove nanocjevčice (CNT) nanočesticenanočestice slojeviti silikati (najčešće slojeviti silikati (najčešće

montmorilonitna glina, MMT)montmorilonitna glina, MMT)



Ugljikova nanovlaknaUgljikova nanovlakna

duljina vlakana: od 100 μm do nekoliko duljina vlakana: od 100 μm do nekoliko cm, promjer: od 100 do 200 nm, prosječan cm, promjer: od 100 do 200 nm, prosječan omjer L/D > 100omjer L/D > 100

najčešće se sastoje od naslaganih najčešće se sastoje od naslaganih zavinutih grafitnih slojeva koji tvore stošce zavinutih grafitnih slojeva koji tvore stošce ili ili šalicešalice..



Ugljikove nanocjevčiceUgljikove nanocjevčice

vrlo visoki modul elastičnosti i rastezna vrlo visoki modul elastičnosti i rastezna čvrstoćačvrstoća

heksagonalno poredani atomi heksagonalno poredani atomi saće saće velika promjena svojstava (električka i velika promjena svojstava (električka i

toplinska provodnost, elastičnost, toplinska provodnost, elastičnost, viskoznost) već pri malim udjelima CNT viskoznost) već pri malim udjelima CNT

(1 % vol.)(1 % vol.)



NanozupčaniciNanozupčanici



NanočesticeNanočestice

Nanočestice:Nanočestice: metala (Al, Fe, Au, Ag…), metala (Al, Fe, Au, Ag…), oksida (ZnO, Aloksida (ZnO, Al22OO33, CaCO, CaCO33, TiO, TiO22, SiO, SiO22), ), karbida (SiC) i dr.karbida (SiC) i dr.

Izbor nanočestica ovisi o Izbor nanočestica ovisi o željenim svojstvima željenim svojstvima nanokompozita, npr: nanokompozita, npr:

Al Al vodljivost vodljivost kalcijev karbonat kalcijev karbonat niska cijena niska cijena silicijev karbid silicijev karbid visoka tvrdoća, čvrstoća i visoka tvrdoća, čvrstoća i

antikorozivnostantikorozivnost



Montmorilonitna glinaMontmorilonitna glina

troslojna struktura u kojoj se Al-troslojna struktura u kojoj se Al-oktaedar nalazi u sendviču između oktaedar nalazi u sendviču između dva SiOdva SiO44 tetraedrijska sloja tetraedrijska sloja

Problem: Problem: hidrofilni materijali hidrofilni materijali

nisu kompatibilni s nisu kompatibilni s

većinom (hidrofobnih) većinom (hidrofobnih)

polimera polimera

kompatibilizator – kompatibilizator –

maleinskimaleinski

anhidridanhidrid


DaNTe 2011DaNTe 2011Vrste nanokompozita na bazi slojevitih Vrste nanokompozita na bazi slojevitih

silikatnih punilasilikatnih punila

+

MIKROKOMPOZITMIKROKOMPOZIT(fazno razdvojeni k.)(fazno razdvojeni k.)

NANOKOMPOZITNANOKOMPOZIT(umetnuti-interkalirani)(umetnuti-interkalirani)

POLIMERPOLIMER SLOJASTSLOJASTII

SILIKATSILIKAT

NANOKOMPOZITNANOKOMPOZIT(raslojeni-eksfolirani)(raslojeni-eksfolirani)


DaNTe 2011DaNTe 2011Priprava polimernih nanokompozita na Priprava polimernih nanokompozita na

temelju slojevitih silikatatemelju slojevitih silikata

Interkalacija polimera ili pretpolimera iz Interkalacija polimera ili pretpolimera iz otopineotopine

(PAA, PCL, PLA, PE-HD)(PAA, PCL, PLA, PE-HD) Polimerizacija Polimerizacija in situin situ

((PA6, PS, PMMA, PET, PA6, PS, PMMA, PET, epoksepoksidi)idi)

Interkalacija iz taljevineInterkalacija iz taljevine

((PS, PA6, PEO, PP, PEPS, PA6, PEO, PP, PE …) …)

Interkalacija = umetanjeInterkalacija = umetanje


DaNTe 2011DaNTe 2011Primjena nanokompozita Primjena nanokompozita polimer/MMTpolimer/MMT

Pakovanja:Pakovanja: prozirnost, smanjena propusnost prozirnost, smanjena propusnost kisika i COkisika i CO22, lakša oporaba (recikliranje), , lakša oporaba (recikliranje), produljenje trajnosti namirnicaproduljenje trajnosti namirnica

poliamid MXD6 i nanoglina kao barijerni sloj u poliamid MXD6 i nanoglina kao barijerni sloj u PET bocamaPET bocama

EVOH i nanoglina u višeslojnim ambalažnim EVOH i nanoglina u višeslojnim ambalažnim filmovimafilmovima



Pakovanja:Pakovanja: prozirnost, smanjena propusnost prozirnost, smanjena propusnost kisika, lakša oporaba (recikliranje), kisika, lakša oporaba (recikliranje), produljenje trajnosti namirnicaproduljenje trajnosti namirnica

Pneumatici:Pneumatici: manje zagrijavanje, lakša manje zagrijavanje, lakša oporaba (recikliranje) oporaba (recikliranje) Pirelli Pirelli




Pneumatici:Pneumatici: manje zagrijavanje, lakša manje zagrijavanje, lakša oporaba (recikliranje)oporaba (recikliranje)

SSportportska opremaska oprema:: ttenis enis loptice (službena loptice (službena loptica loptica DavisDavis kupa kupa))



Uobičajena Uobičajena teniska lopticateniska loptica

Teniska loptica s nanokompozitnim barijernim slojem






Sredstva za osobnu zaštitu:Sredstva za osobnu zaštitu: tanja zaštitna tanja zaštitna odjeća i rukavice, poboljšana kemijska odjeća i rukavice, poboljšana kemijska postojanost, smanjena gorivost … (za civilne i postojanost, smanjena gorivost … (za civilne i vojne primjene)vojne primjene)



Svojstva gorivostiSvojstva gorivosti






Sredstva za osobnu zaštitu:Sredstva za osobnu zaštitu: tanja zaštitna tanja zaštitna odjeća i rukavice, poboljšana kemijska odjeća i rukavice, poboljšana kemijska postojanost, smanjena gorivost … (za civilne i postojanost, smanjena gorivost … (za civilne i vojne primjene)vojne primjene)

Ostalo:Ostalo: Posvuda gdje se zahtijevaju posebna Posvuda gdje se zahtijevaju posebna svojstva uz bitno manju masu proizvoda!svojstva uz bitno manju masu proizvoda!


DaNTe 2011DaNTe 2011Permeabilnost i postojanost na Permeabilnost i postojanost na otapalaotapala

Na snižavanje propusnosti na plinove i Na snižavanje propusnosti na plinove i povećanje postojanosti na otapala utječe:povećanje postojanosti na otapala utječe: Interkalacija/raslojavanje (eksfolijacija)Interkalacija/raslojavanje (eksfolijacija) Nakupljanje (aglomeriranje) čestica MMTNakupljanje (aglomeriranje) čestica MMT Veličina i orijentiranost čestica MMTVeličina i orijentiranost čestica MMT

KLASIČNI KLASIČNI MIKROKOMPOZITMIKROKOMPOZIT

SLOJEVITI SLOJEVITI NANOKOMPOZITNANOKOMPOZIT


DaNTe 2011DaNTe 2011Utjecaj nanokompozita na zdravlje i Utjecaj nanokompozita na zdravlje i

okolišokoliš

??



ZaključakZaključak

Nanokompoziti Nanokompoziti - - materi materijali jali sadašnjosti i budućnosti!sadašnjosti i budućnosti!

Relativno jednostavna priprava Relativno jednostavna priprava materijala materijala

Poteškoće/nepoznanicePoteškoće/nepoznanice Veliki broj parametara utječe na Veliki broj parametara utječe na

svojstva nanokompozita.svojstva nanokompozita. Utjecaj na zdravlje? Utjecaj na zdravlje? Još uvijek nije do kraja poznato Još uvijek nije do kraja poznato

djelovanje na ljude koji rade u djelovanje na ljude koji rade u proizvodnji s nanokompozitimaproizvodnji s nanokompozitima



““There is a plenty ofThere is a plenty of room at room at the bottom. the bottom. ””

(Richard P. Feynman, (Richard P. Feynman, 1959)1959)

07 nanokompoziti i nanotehnika

Documents

nanoestice nanoestice

za nanocjevice

d nanocjevice

nanovlakna nanoestice

pe interkalacija

estice nanometarskih

polimerne matrice plastomeri

najee se sastoje