Nanododatki polepszają właściwości
Nanokompozyty można odnaleźć w laboratoriach, jak i w świecie codziennym. Zastosowania od motoryzacji po rolnictwo, materiały logistyczne, kable elektryczne, pokazują, iż nanokompozyty stają się bardziej ekonomiczne oraz podnoszą jakość produktów.
Nawet szczypta drobnych cząstek "nano" może obniżyć wagę i koszty wytwarzania, polepszając jednocześnie własności mechaniczne produktów w stosunku do konwencjonalnych napełniaczy. Korzyści ujawniają się też w postaci odporności na zarysowania, polepszonych właściwości barierowych, ognioodporności, stabilności wymiarowej oraz szybszym wytłaczaniu i formowaniu wyrobów. Postęp w tej dziedzinie dotyczy nowych stopów, które rozpraszają bardziej efektywnie nanoglinki, nowych nano-syntetycznych dodatków i "nanorurek".
Ekonomia i jakość
Zastosowanie nowych nanomateriałów pozwala na znaczne ograniczenie kosztów wytwarzania, w stosunku do konwencjonalnych napełniaczy: szkła i talku. Nanomateriały posiadają niższą wagę, ich formowanie jest prostsze i mniej czasochłonne, przy niższym ciśnieniu, a wytwory posiadają znacznie lepsze właściwości mechaniczne. Na przykład koncentrat nanomieszanki MB (ang. Melt Blend) z przedmieszką nanoglinki zaprezentowany w 2003 roku przez PolyOne Corp., jest wykorzystywany komercyjnie przy produkcji paneli wahaczy samochodów z TPO (ang. thermoplastic elastomer polyolefin), zastępując tym samym dla TPO napełniacz z talku. Nanomieszanki posiadają niższą temperaturę plastyczności i niższą masę. Z powodu mniejszej ilości nanonapełniaczy, dopasowanie koloru w nanomieszankach jest mniej kosztowne. Dzięki niższej gęstości można osiągnąć duże oszczędności, pomimo nieco wyższych kosztów materiału za kilogram.
Nanomiesznki PolyOne LST (ang. Light – Stiff – Tough) są wykorzystywane od roku 2004 dla wyrobów charakteryzujących się wąską tolerancją wymiarową, wymaganą przez automatyczną linię montażową. Nanomieszanki bazujące na PP są wykorzystywane do produkcji tacek i zastępują stopy PPO. Posiadają one niższy współczynnik termicznej ekspansji i zachowują oszczędności procesowe w krótkich partiach produkcyjnych, ponieważ skracają czas cyklu z 90 do 60 sekund.
Arthur Fritts, prezes firmy NanoSperse LLC, przestrzega przed zainteresowaniem się nanomateriałami tylko z punktu widzenia oszczędności. Takie spojrzenie nie będzie stymulować rozwoju nanotechnologii. Spowodowało to aktualne zwolnienie nanorozwoju, a jego przyszły wzrost będzie pochodził ze zwiększającej się ich wartości. W istocie, obecny rynek jest w sytuuje nanomateriały jako tworzywa poprawiające jakość wyrobów. Przykładem może być emiter nawadniający do rur rolniczych rozpowszechniony przez firmę Geoflow z San Francisco., który wykonany jest z płytek nanoglinek (koncentrat PolyOne Nanoblend MB), dla zapewnienia efektu powolnego uwalniania środka przeciw chwastom z tworzywa do ziemi. Nanomieszanka zmieszana jest na sucho z granulkami środka na chwasty Geoflow, a następnie dodana do zasobnika maszyny wraz z LLDPE. Taki wyrób jest droższy o 20% niż przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów bez nanoglinek, lecz obecność nanoglinek wydłuża gwarancje działania produktu z 10 do 20 lat.
Jedną z przyczyn tego, iż nanolepiszcza polepszają właściwości materiału jest ich kompatybilność ze stopami żywic. Współpraca firmy Putsch z niemieckim dostawcą (Sud-Chemie AG) nanolepiszczy, doprowadziła do stworzenia nowego stopu kompatybilnego z PP i PS. Nazwano go Elan XP. Zawiera on od 1 do 2% Sud-Chemie’s Nanofil dla kompatybilności z zawartością 60÷80% PP i 20÷40% PS. Elan XP został komercyjnie zastosowany trzy lata temu w produkcji wewnętrznych wlotów powietrza dla Audi A4 i Volkswagena van. Niemalowane części z ElanXP zastąpiły malowane z ABS. Twarde komponenty z PS są odporne na zarysowania i zapewniają wysoką estetykę powierzchni.
Nanolepiszcza zmniejszają palność tworzyw lub ją ograniczają. Na przykład nanolepiszcze Nanofil SE 3000 firmy Sud – Chemie jest używane komercyjnie w mieszaninie EVA/PE dla zapewnienia ochrony przeciwogniowej w kablach i ich pokryciach. Obecność od 3 do 5% SE3000 polepsza odporność ogniową tak jak dodatek ATH czy wodorotlenku magnezu. Masa wyrobu z zawartością SE 3000 może być obniżona o 13%. Własności mechaniczne i powierzchniowe polepszają się. Możliwy jest również wzrost prędkości wytłaczania polimeru.
Nanomateriały są używane od kilku lat przez trzech wielkich wytwórców kabli: Kabelwerk Eupen w Belgii, Nexans we Francji, i Draka Cable w Holandii. Nexans" Berk – Tek ze Stanów Zjednoczonych wytworzył pierwsze pokrycie kabla z nanokompozytów w Północnej Ameryce.
Nadal inną zaletą stosowania nanolepiszczy jest polepszanie własności barierowych. Wcześniej używano je w artykułach spożywczych i ich opakowaniach, ale znalazły również zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Firma Uba America rozpowszechniła linie do wytwarzania zbiorników z 2% zawartością nanolepiszcza w nylonie 6. Ochrona barierowa takich zbiorników jest pięć razy wyższa niż w przypadku nylonu bez domieszki.
Więcej nowych nano – dodatków
Firma Naturalnano Inc. zaprezentowała na konferencji w San Francisco ostatnio odkryte nanorunki z naturalnym tlenkiem glinu, zwane "halloysite". Naturalnano ma zgłoszenia patentowe rur "halloysite", których zakres długości wynosi od 1 do 40 mikronów a średnica wewnętrzna od 20 do 50 nm.
Firma DDG Cryogenics sprzedaje nowe kriogenicznie rozdrobnione metale, ceramikę i nanokompozytowe proszki. Początkowe zastosowanie dotyczą mieszaniny kompozytu aluminium, ale stosunkowo niedrogi proces firmy DDG jest dostosowany dla tworzyw. DDG posiada od dwóch lat nanoproszki nylonu 6 i dwanaście przykładów jego zastosowań.
Raport firmy Sud – Chemie donosi, iż nanolepiszcza w małym rozmiarze mają lepsze zdolności rozpraszania. Nowszy Nanofil 2, 5 i 9 rozprasza lepiej niż poprzednie Nanofil 15 i 32. Nowy Nanofil SE posiada wyższy stopień rozproszenia w poliolefinach, nawet jeśli żywice nie zawierają bezwodnika kwasu maleinowego (BKM).
Nanolepiszcze w PVC
Firma Elam EL Industries z Izraela wytwarza elektroluminescencyjne środki wykorzystujące nanocząstki z tlenku cynku (pochodzenie: Degussa, Niemcy) i dwutlenku tytanu (pochodzenie: Sachtleben Chemie GmbH Niemcy) w akrylowych przedmieszkach, dla ochrony przed działaniem UV fluoroscencyjnych barwników w PVC i przedmieszkach PVDF. Konwencjonalne stabilizatory UV redukują fotoluminescencję, szczególnie w flouropolimerach. Nano dodatki firmy Elam utrzymują barwniki fluoroscencyjne przed migracją do powierzchni zewnętrznej, więc i tym samym nie pozwalają na ich degradację.
W zaskakujący sposób badacze wynaleźli dodatek nanolepiszcza EVA – CO dla PVC, pozwalając tym samym na wytwarzanie czystego elastycznego PVC. Nanolepiszcza są mniejszych rozmiarów niż widzialna długość fali światła, więc nie wywołują żadnego optycznego efektu. PVC z 2% zawartością nanolepiszcza potrafi przetransmitować większą ilość światła niż PVC bez lepiszcza – i więcej światła niż EVA – CO z tym samym lepiszczem.
Odkryto też, że mieszanie składników (kompandowanie) w dwóch etapach jest łagodniejsze dla PVC, gdyż chroni go przed kontaktem z fluorolepiszczem. Na początku 60% PVC jest łączone z 40% nano–napełniaczem EVA – CO, których stopienie następuje w niższej temperaturze niż PVC. Pokrycie EVA – CO lepiszczem powoduje, iż nie ma on kontaktu z PVC. Wtedy 20% więcej PVC jest dodawane w trakcie czwartej części drogi podczas przetwarzania w układzie uplastyczniającym.
Nowości w nano testach
Firma DSM Xplore w Geleen, Holandia, reprezentowana w USA przez Dieter Scientific zaprezentowała urządzenie laboratoryjne dla rozwoju nowych drogich produktów takich jak nanokompozyty. Urządzeniem tym jest mała stożkowa wytłaczarka z podwójnym ślimakiem zaprojektowanym dla zmiany ilości wsadu, w przeciwieństwie do normalnego ciągłego zasilania wytłaczarki. Zasadę zasilania można porównać do działania strzykawki. Wytłaczarka laboratoryjna DSM może pracować już przy pięciu centymetrach sześciennych wsadu, a tym samym można powiedzieć, że potrzebuje jedynie "szczyptę" drogiego nanomateriału dla przeprowadzenia testu. Ostatnia generacja wytłaczarki ma możliwość zmiany efektywnej długości ślimaka i wielkości wsadu za pomocą wymiennych wkładek poczynając od wartości minimalnej 2,5 cm3, a kończąc na 15 cm3. Firma DSM sprzedała ponad 50 takich jednostek laboratoryjnych. Ceny ich wahały się od 80 000 do 100 000 dolarów.
Firma Elementis Specilties, dostawca nanolepiszczy z montmorylonitem, stworzyła spektrometr do badań w podczerwieni dla oszacowania rozproszenia i orientacji płytek. Aparat wykorzystuje absorpcję w zakresie IR krzemionkowej składowej wsadu w lepiszczu. Dzięki tej metodzie można obserwować aglomerację lepiszcza, jak i jego łuszczenie się. Metoda prezentowana przez Elementis Specilties może z łatwością zmniejszyć orientację płytek, która jest kluczem do barierowych właściwości w wytłaczaniu czy formowaniu wytworów. Próbka jest obracana wokół osi Y w wiązce promieni IR, podczas gdy wiązka sukcesywnie wskazuje punkty w kierunkach Y i Z. Zmiana intensywności absorpcji wskazuje na nielosową orientację płytek. Alternatywnym testem jest metoda wykorzystująca mikroskop elektronowy i promieniowanie X. Przedstawiciele firmy Elementis wskazują na to, że analiza taka jest jednak bardziej złożona i dostarcza mniej jasnych rezultatów.
Opracowanie: Karol Pepliński,
ATR Bydgoszcz, Wydział Mechaniczny,
Katedra Techniki Tworzyw,
karolpep@atr.bydgoszcz.pl
drukuj ten artykuł
poleć artykuł znajomemu
Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać) 
Kwiecień 2006
Zawartość numeru:
- Technologie:
- Nanododatki polepszają właściwości
- Chemia Gospodarcza i Kosmetyki:
- Zarządzanie:
- Rynki Chemii:
- Powłoki:
- Wydarzenia:
Zobacz pozostałe numery Chemical Review »