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.
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.
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.
