Polimer nanokompozitok

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Polimer nanokompozitok"

Mihály Norbert Orsós
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Polimer nanokompozitok Hári József és Pukánszky Béla BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Műanyag- és Gumiipari Laboratórium MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézet november 6.

2 Tartalom Bevezetés méretek, hajtóerő Kompozitok, nanokompozitok definíció típusok Rétegszilikát nanokompozitok várakozások szerkezet tulajdonságok Funkcionális kompozitok vezetőképesség hatóanyag leadás égésgátlás Összefoglalás Köszönetnyilvánítás 2

várakozások szerkezet tulajdonságok Funkcionális kompozitok

3 vízmolekula C60 fullerén Méretek, skála! 0.1 antitest HIV vírus 1 10 szalmonella baktérium 100 prosztata rák cella Nagyítás: nyomtatott pont David N. Reinhoudt munkája alapján

prosztata rák cella 1.000 Nagyítás: 100.000.000 10.000 100.

4 Bevezetés hajtóerő a tranzisztor Méretcsökkentés: 10 cm 30 nm, >> 1,000,000 Intel 3-kapus tranzisztor 32 nm 22 nm 1947 a tranzisztor felfedezése (Bardeen, Brattain, Schockley; Bell Labs). Pont kontaktus tranzisztor két PN csatlakozással. Nobel Díj Egyatomos tranzisztor 4

felfedezése (Bardeen, Brattain, Schockley; Bell Labs).

nanorészecskék polimer/szilikát nanokompozitok

5 Bevezetés nanoméretű anyagok vízoldható CdTe kvantum pont (American Dye Source) Stöber szilika nanorészecskék polimer/szilikát nanokompozitok dendrimerek fém kristályszerkezet szén nanoszerkezetek Biotin-streptavidin 5

6 Kompozitok definíciók Kompozit: töltő- vagy erősítőanyagot tartalmazó polimer mátrix; a módosítás gyakran a merevség és szilárdság egyidejű növekedését eredményezi. Elv: a nagy szilárdságú és merevségű erősítőanyag viseli a terhelést, a mátrix pedig átadja azt az egyik részecskéről vagy szálról a másikra. Feltételek: az erősítőanyag a terhelés irányába álljon tökéletes adhézió a komponensek között méretkövetelmények (alaki tényező, fajlagos felület) 6

Elv: a nagy szilárdságú és merevségű erősítőanyag viseli a terhelést, a mátrix pedig átadja azt az egyik

7 Nanokompozitok definíciók, típusok Definíció: polimer kompozit, amelyben a társító komponens (töltőanyag, szál, más erősítőanyag) legalább egyik mérete a nanométeres tartományba esik. Osztályozás típusok szerint molekuláris kompozitok kolloidális kompozitok rétegszilikát nanokompozitok Osztályozás dimenziók szerint háromdimenziós szemcsék (SiO 2, CaCO 3, POSS) kétdimenziós nanocsövek (CNT), szálak egydimenziós lemezek (rétegszilikátok) 7

Osztályozás típusok szerint molekuláris kompozitok kolloidális kompozitok rétegszilikát nanokompozitok

8 Csoportosítás szférikus részecskék ezüst nanoszemcsék TiO 2 POSS SiO 2 A legnagyobb probléma az aggregáció. 8

9 Csoportosítás nanocsövek, szálak Az egy és többfalú nanocsövekhez sok reményt fűztek, az eredmények még váratnak magukra. 9

10 Csoportosítás szén szerkezetek, szálak, lemezek Anyag Szakítószilárdság Hővezető képesség (W/m 2 K) Elektromos vezetés (S/m) Grafén 130 ± 10 GPa Szén nanocső GPa Kevlár szál 3.6 GPa 0.04 szigetelő Nanoméretű acél 1.8 GPa Nagy sűrűségű PE 0.03 GPa szigetelő A fullerén a szén nanocsövek és a grafén rokon szerkezetek. Jelenleg a grafén a sláger. Nagy szilárdság, vezetőképesség. 10

6 GPa 0.04 szigetelő Nanoméretű acél 1.8 GPa 5 6 1.35 10 6 Nagy sűrűségű PE 0.03 GPa 0.46 0.

11 Csoportosítás lemezek kettőshidroxid MMT grafén 11

12 Rétegszilikát kompozitok állítólagos előnyök nagy merevség nagy szilárdság nagy hőalaktartóság (HDT) csökkent éghetőség korlátozott gázáteresztés, jó záróképesség erősítés kis szilikát tartalomnál Relatív modulus, E/E m üvegszál rétegszilikát szén nanocső Erősítőanyag térfogattört Az erősítés feltétele a nagymértékű exfoliáció, az orientáció és az erős határfelületi adhézió. 12

modulus, E/E m 4 3 2 1 üvegszál rétegszilikát szén nanocső 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.

13 Hőalaktartóság, HDT ( C) Szakítószilárdság (MPa) Rétegszilikát kompozitok valóság nanokompozit PP/üvegszál PS PS+OMMT2 PS+OMMT3 30 PS+OMMT Erősítőanyag (m/m%) m/m% OMMT Ellentmondásos eredmények, a várt tulajdonságjavulás sok esetben elmarad. Kojima, Y. et al. J. Polym. Sci., Polym. Chem. A31, 983 (1993) Wang, H. et al, Polym Eng Sci 41, 2036 (2001) 13

Erősítőanyag (m/m%) 0 10 10 m/m% OMMT Ellentmondásos eredmények, a várt tulajdonságjavulás sok esetben

14 Rétegszilikátok rétegszerkezet rétegszerkezet cserélhető kationok, változó rétegtávolság 14

15 Rétegszilikátok rétegszerkezet, módosítás hidratált MMT, G. Sposito et al. ioncsere, kvaterner ammónium ion 15

16 Rétegszilikát kompozitok szerkezet WAXS és TEM mérésekre alapozva jelentős vagy teljes exfoliációt állítanak, a valóságban mértéke nem ismert; a lemezek orientációja véletlenszerű. Nam, P. H. et al, Polymer 42, 9633 (2001) 16

valóságban mértéke nem ismert; a lemezek orientációja

17 Intenzitás (cps) Intenzitás (cps) Rétegszilikát kompozitok szerkezet kapcsolóanyaggal 30 % MAPP 0 % MAPP PP/MAPP (fok) PP/OMMT PP (fok) kapcsolóanyag nélkül A legnagyobb probléma a homogenitás. Kapcsolóanyaggal javítják, de a megoldás nem tökéletes. 17

PP/OMMT PP 2 4 6 8 10 2 (fok) kapcsolóanyag nélkül A legnagyobb

18 Rétegszilikát kompozitok tulajdonságok A szakítóvizsgálat sok értékes információt szolgáltat a szerkezetről és a kölcsönhatásokról. 18

19 Folyási feszültség (MPa) ln(relatív folyási feszültség) Rétegszilikát kompozitok tulajdonságok 50 Reichert 0.4 B = Liu Svoboda Manias 0.3 B = 7.2 B = Százdi 0.2 B = Chen 0.1 B = Szilikát térfogattört Szilikát térfogattört A tulajdonságok és az erősítés mértéke széles tartományban változik annak ellenére, hogy a szerkezet a legtöbb esetben állítólag hasonló. 19

10 0.15 0.20 Szilikát térfogattört 0.0 0.00 0.03 0.06 0.09 0.

20 Rétegszilikát kompozitok az exfoliáció mértéke Töltőanyag B paraméter Fajlagos felület Exfoliáció mértéke (m 2 /g) (%) CaCO MMT MMT a OMMT b 7.5 a teljes exfoliáció feltételezésével publikált fajlagos felületből számítva b a legnagyobb irodalomban közölt B értékből számolva A gyakorlatilag elért erősítés és az exfoliáció mértéke kicsi, utóbbi kisebb mint 10 % az elméleti maximumhoz viszonyítva. 20

5 a teljes exfoliáció feltételezésével publikált fajlagos felületből számítva b a legnagyobb irodalomban közölt

21 Nanokompozitok alkalmazás A nanokompozitok szerkezeti anyagként igen ritkán alkalmazhatók költséghatékonyan. Megoldás: funkcionális anyagok. 21

Térfogati ellenállás ( cm) Alkalmazás vezetőképesség villám által okozott károsodás 10 20 A mechanikai jellemzők eddig elkeserítők (E. Thostenson et al.

22 Térfogati ellenállás ( cm) Alkalmazás vezetőképesség villám által okozott károsodás A mechanikai jellemzők eddig elkeserítők (E. Thostenson et al.) MWCNT CB 10 5 SWCNT Töltőanyagtartalom (m/m%) A diszpergálhatóságot funkcionalizálással javítják. elektromos vezetés 22

23 Alkalmazás vezetőképesség Nyomtatott grafén festék lopás vagy babrálás ellen. Minden csomagolás egyedileg riaszt sérülés vagy lopási kísérlet esetén. 23

MFI (g/10 min) Yellowness index Alkalmazás hatóanyag leadás 0.24 0.

00 0 50 100 150 200 250 Quercetin content (ppm) 0 0 200 400 600 800 1000 Quercetin

24 MFI (g/10 min) Yellowness index Alkalmazás hatóanyag leadás extrusion extrusion Quercetin content (ppm) Quercetin content (ppm) A természetes antioxidáns olvadási hőmérséklete magas és rosszul oldódik. Halloysite hordozó. 24

25 Alkalmazás hatóanyag leadás szilikát aluminium oxid Halloysite víz molekulák üreg réteg OH belső OH él OH külső SiO 25

26 Alkalmazás gázzárás Elv: megnövekedett diffúziós út. Kevés megbízható eredmény, ellentmondások. A szerkezet (exfoliáció) nagyon fontos. 26

27 Alkalmazás égésgátlás Elv: elszenesedett kéreg képződése, ami megakadályozza a transzportfolyamatokat (tömegveszteség, gázok). Hagyományos égésgátlók használata szükséges. 27

28 Következtetések Az érdeklődés a nanotechnológia iránt nagy a tudomány és az ipar részéről is. A polimer nanokompozitokkal kapcsolatos ismereteink korlátozottak. Szerkezetük lényegesen bonyolultabb a feltételezettnél. A kulcs a homogenitás és az exfoliáció mértéke (rétegszilikát), amit termodinamikai és kinetikai tényezők határoznak meg. Csak a kölcsönhatások módosítása és kontrollálása eredményez a jelenleginél jobb tulajdonságú nanokompozitokat. A szerkezet mennyiségi jellemzése elengedhetetlen a tulajdonságok előrejelzése érdekében, a jelenleg használt módszerek nem kielégítők. Alkalmazásuk szerkezeti anyagként korlátozott, funkcionális jellemzőkkel kell rendelkezniük. Az ellentmondások, nehézségek és az általános hisztéria ellenére a nanotechnológia számos lehetőséget rejt magában. Az áttöréshez azonban sok területen további munka szükséges. 28

29 Köszönetnyilvánítás, résztvevők Sajó István WAXS mérések Grósz Tamás WAXS mérések Rácz Lajos PA kompozitok Varga Katalin PVC kompozitok Csapó Ibolya PVC kompozitok Laurence Daheron PVC kompozitok Fráter Tünde PP kompozitok Pozsgay András PA, PVC, PP kompozitok Százdi László modellszámítások Dominkovics Zita PP kompozitok Papp László PP kompozitok ifj. Pukánszky Béla SEM, TEM felvételek Renner Károly SEM analízis Kovács János reológia Ábrányi Ágnes reológia Móczó János CaCO 3 kompozit adatok TVK Rt. PP minták Zoltek Rt. PA minták, támogatás OTKA T , K1, K2 anyagi támogatás 29

Hasonló dokumentumok

Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilícium-nitrid. nanokompozitok. Tapasztó Orsolya MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet

Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilícium-nitrid nanokompozitok PhD értekezés Tapasztó Orsolya MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Témavezető: Dr. Balázsi Csaba MTA TTK Műszaki Fizikai