Nano world
There's plenty of room at the bottom.
Richard Feynman

nanocompositech appunti nanocompositi

Nanocompositi Polimero/silicato: Breve introduzione


Sommario:
I nanocompositi e nanomateriali come esempi di nanotecnologie.


Nel campo delle nanotecnologie, la sintesi e l'utilizzo di nanocompositi polimeri iniziano ad assumere un ruolo strategico.

I nanocompositi polimerici rappresentano una nuova classe di materiali, in qualche modo alternativa ai materiali compositi tradizionali.
I nanocompositi polimero silicato sono caratterizzati dalla presenza, in seno alla materice polimerica, di cariche inorganiche con dimensioni nanometriche (almeno in una dimensione) così generando dei notevoli miglioramenti delle proprietà meccaniche e delle performances.

Tipicamente vengono utilizzati dei silicati di prigine di tipo smectitico. Così i silicati lamellari comunemente usati nei nanocompositi appartengono alla famiglia strutturale dei fillosilicati come la montmarillonite e l&hectorite.
In considerazione dei legami che si instaurano fra carica e matrice, dall'intima miscelazione nanometrica, il nuovo materiale così ottenuto mostra delle eccellenti proprietà meccaniche se paragonate a quelle del polimero puro: resistenza a trazione decisamente superiore (40% d'incremento), maggiore resistenza chimica e maggiore resistenza al calore.

È importante sottolineare come questi risultati si ottengano entro un range di 0,1-10% di cariche.
È facile intuire come i nanocompositi polimero/silicato sono dei tipici esempi di nanotecnologia: materiale ottenuto dall'intercalazione in ordine di grandezza nanometrica, di lamelle di silicato e catene polimeriche.
Differentemente da altri campi delle nanotecnologie ancora in uno stato decisamente embrionale, i nanocompositi polimerici posseggono già dei campi di applicazione e sviluppi commerciali.

Nanocompositi polimerici... breve storia

Il vero inizio delle applicazioni dei nanocompositi avviene nel 1990 quando un gruppo di ricerca della Toyota mette a punto un Silicato Nylon 6 nanocomposito utilizzato con successo per la cinghia di trasmissione dell'auto.

Altre applicazioni in campo automotive vennero implementate:
-Mitsubishi&s GDI Silicato Nylon 6 nanocomposito sopertura del motore;
-General Motors Silicato/poliolefine nanocompositi gradino d'ingresso GMC Safari e Chevrolet Astro vans.

Evidentemente le potenziali applicazioni vanno ben oltre le applicazioni in campo automotive. Una delle più promettenti è rappresentata dal drink packaging considerando che le proprietà barriera di un nanocomposito polimero silicato sono notevolemente migliori. È facile intuire la portata di un tale mercato, ed in generale di un packaging di qualsiasi genere.

back to top

Tecniche di sintesi: Nanocompositi polimero silicato

Nella prospettiva di sintetizzare un nanocomposito a partire dai costituenti è necessario considerare la compatibilità polimero-carica.
Ciò significa fornire un carattere organofilo ai silicati attraverso un pretrattamento capace di promuovere l'intima miscelazione fra i componenti.

Nel caso di polimeri di natura idrofila (PPO) questo tipo di pretrattamento non occorre dato che i silicati sono da considerarsi per natura idrofili. Viceversa in considerazione del fatto che in genere i polimeri sono idrofobi, tale pretrattamento dei silicati risulta spesso indispensabile.
Si specifica come il trattamento coinvolga solo il silicato. Argille Organofile possono essere ottenute attraverso dissoluzione in solventi a base di ammino acidi, sali d'ammonio etc.

Tra i metodi di sintesi più utilizzati si ricordano:
-Intercalazione in soluzione;
-Polimerizzazione in situ;
-Intercalazione dal fuso;

Il metodo dell&intercalazione del polimero da soluzione consiste nella solubilizzazione del polimero nel solvente organico. Con l'ausilio dello stesso solvente viene disciolto (sfaldato) il silicato lamellare.
È importante usare un solvente che disciolga il polimero e che diffonda all&interno dell&argilla.
Le due soluzioni vengono mescolate e il polimero allora si adsorbe sulle lamine del silicato.
Segue l&evaporazione del solvente, le lamine tendono a riunirsi intrappolandosi in mezzo il polimero e formando una struttura ordinata multistrato.

Questo metodo soffre di alcuni inconvenienti, come la scarsa dispersione del silicato, l'alto costo dei solventi (dovuto al grande quantitativo di solvente necessario), problemi di separazione di fase, problemi di sicurezza ed dimpatto ambientale.

La polimerizzazione in situ consiste nel disperdere le lamelle di argilla nella matrice polimerica attraverso la polimerizzazione, partendo da una soluzione contenente monomero e silicato disperso comprensiva di catalizzatore.
Così facendo la formazione del polimero avviene intercalando gli strati del silicato.
L&ultima tecnica consiste nella dispersione e nell&intercalazione diretta del polimero allo stato fuso. Per la sua semplicità, dal punto di vista industriale è la tecnica più promettente anche se presenta notevoli problematiche di applicazione. Per utilizzare questa tecnica bisogna prevedere un pretrattamento dei silicati come prima accennato.
back to top

Conclusioni
Quando si parla di nanocompositi e delle applicazione delle nanotecnologie in seno alla scienza dei materiali generalmente si tende ad enfatizzare le straordinarie qualità dei materiali ottenuti.
In realtà se le si confrontano con quelle dei tradizionali compositi rinforzati con fibre si nota che non è proprio così.
Solo per concentrazioni molto basse di carica (4%) il nanocomposito mostra le succitate proprietà.
Per ottenere di più dovremmo aggiungere altra carica, salvo l'insorgere di grandi problemi tecnologici derivanti da considerazioni di tipo fisico.
Difatti aumentanto la nanocarica aumenta a dismisura la superficie di interfaccia fra polimero e silicato rendendo insufficienti le molecole di polimero necessarie a "bagnare" la superficie delle nanoparticelle di argilla.
In buona sostanza, il principale vantaggio e la caratteristica delle nanocariche diventano un ostacolo difficilmente sormontabile.

Le tecniche di sintesi dei nanocompositi devono affrontare diverse difficoltà, tra cui:
-problemi di natura termica legate alle caratteristiche dei polimeri;
-l'instabilità termica della carica.

Tutto ciò in realtà è dovuto alla solo parziale comprensione dei fenomeni che intervengono a tali ordini di grandezza (nano-mondo). Solo ampliando le conoscenze e la comprensione si potranno migliorare le tecniche di ottenimento.

Considerando i notevoli sforzi economici e non che stanno profondendo ricercatori di tutto il mondo, è prevedibile come tali problemi possano essere risolti aprendo la porta alle più svariate applicazioni.

back to top