Chemia i Biznes

W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Mogą Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej "Polityce prywatności Cookies"

Rozumiem i zgadzam się

Konfiguracja makiety

Nanokompozyty zyskują popularność

2021-10-05  / Autor: Karolina Lipiec

Światowy rynek nanokompozytów rośnie w tempie ok. 20% rocznie, co oczywiście wynika z jego stosunkowo niewielkiego rozmiaru, dającego szanse na dynamiczne wzrosty. Aktualnie wartość sprzedaży w tej branży sięga ok. 8 mld dolarów rocznie. Na Europę przypada ok. 30%. Liderem jest Ameryka Północna – 35%.

Nanotechnologia i kompozyty

Połączenie wiedzy technicznej z dziedziny nanotechnologii i kompozytów umożliwia stały rozwój tzw. nanokompozytów, które znajdują swoje miejsce w coraz to nowszych obszarach przemysłu.

Nanokompozyty, podobnie jak kompozyty konwencjonalne, są materiałami składającymi się z co najmniej dwóch składników, z tym, że choćby jeden z tych składników musi posiadać rozmiary w skali nanometrycznej. Wykazują one znacząco lepsze właściwości niż ma to miejsce w przypadku kompozytów standardowych o takim samym składzie chemicznym i fazowym. Wynika to z obecności w nich nanonapełniaczy. Istnieje pewna krytyczna wielkość nanonapełniaczy, poniżej której zachodzi wzrost właściwości, np. w przypadku właściwości mechanicznych wynosi ona do 100 nm. Już zatem niewielka tylko ilość nanonapełniaczy pozwala uzyskać korzystne właściwości.

Ze względu na rodzaj osnowy wyróżnia się trzy grupy nanokompozytów: nanokompozyty polimerowe, ceramiczne oraz metaliczne.

Podstawowymi składnikami materiału nanokompozytowego są osnowa stanowiąca fazę ciągłą oraz nanonapełniacz, nazywany inaczej zbrojeniem. Osnowa spaja cząstki napełniacza i odpowiada za większość właściwości fizyko-chemicznych kompozytu. W przypadku nanokompozytów polimerowych fazę ciągłą stanowi właśnie polimer. Jako osnowy dla kompozytów polimerowych mogą być stosowane zarówno tworzywa termoplastyczne (polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, poliamid), jak i tworzywa usieciowane (żywice epoksydowe, poliuretany, nienasycone żywice poliestrowe itp.).

Nanokompozyty polimerowe

Trwające od wielu lat zainteresowanie polimerowymi materiałami nanokompozytowymi bierze się przede wszystkim z tego, że wiele z zastosowanych nanonapełniaczy w sposób znaczący poprawia właściwości użytkowe polimerów stosowanych jako matryca (osnowa) i to przy udziałach do zaledwie 5% wag. Dobór rodzaju nanonapełniacza do konkretnego materiału polimerowego oraz wybór metody wytwarzania nanokompozytów stanowi więc istotę aktualnych prac aplikacyjnych dotyczących nanokompozytów polimerowych. Polimery olefinowe stosowane jako matryce polimerowe, zwłaszcza polipropylen, są materiałami o dobrych właściwościach mechanicznych, elektroizolacyjnych lub barierowych przeznaczonych do różnych zastosowań.

Jak wspomniano, wprowadzenie niewielkich ilości (ok. 5% wag.) nanonapełniaczy znacząco poprawia ich właściwości, choć finalnie zależą one również od rodzaju nanonapełniacza definiowanego poprzez współczynnik kształtu. Wśród nanonapełniaczy szczególne znaczenie odgrywają krzemionki otrzymywane różnymi metodami, które dzięki dużej powierzchni właściwej zapewniają wysokie oddziaływanie z osnową polimeru. Najbardziej powszechnym typem nanokompozytów polimerowych są jednak te na bazie polipropylenu, co jest związane z rosnącym znaczeniem tego tworzywa, jako materiału konstrukcyjnego.

Odpowiednio zmodyfikowany polipropylen użyty do budowy nanokompozytów polimerowych pozwala na otrzymanie materiału charakteryzującego się poprawioną wytrzymałością na zginanie, rozciąganie oraz podwyższonym modułem sprężystości. Co ciekawe, jednocześnie wzrasta również udarność oraz odporność cieplna.

Metody syntezy nanokompozytów polimerowych można podzielić na trzy kategorie. Pierwszą z nich będą procesy fizycznego mieszania proszkowych nanonapełniaczy z polimerem w stanie stopionym lub jego roztworem/dyspersją w rozpuszczalniku. Drugą kategorią będą procesy polimeryzacji in situ prowadzone w obecności drobin napełniacza zarówno w roztworze/dyspersji monomeru, jak i bezrozpuszczalnikowo. Trzecią kategorią są syntezy nanodrobin napełniacza z prekursora wstępnie zdyspergowanego lub rozpuszczonego w matrycy polimerowej. Tego typu procesy wykorzystywane są głównie w syntezie układów zawierających nanodrobiny metali (redukcja soli nieorganicznych), a także ich tlenków i soli.

Wybór metody syntezy odpowiedniej dla danego układu podyktowany jest zarówno właściwościami nanonapełniacza (m.in. budową przestrzenną, rodzajem i reaktywnością grup funkcyjnych na powierzchni jego cząstek, stabilnością termiczną, stopniem rozwinięcia powierzchni pojedynczej cząstki oraz zawartością i wielkością aglomeratów), jak i parametrami fizykochemicznymi polimeru, zwłaszcza liczbą i rodzajem grup funkcyjnych w strukturze jego makrocząsteczek.

Użycie nanokompozytów

Nanokompozyty szczególnie mocno używane są w takich obszarach, jak stomatologia i ortopedia, budownictwo, ale też w transporcie i energetyce.

W stomatologii podczas projektowania materiałów na stałe wypełnienia dentystyczne zwraca się przede wszystkim uwagę na uzyskanie kompozytów o niskim współczynniku tarcia i małym zużyciu, a jednocześnie wykazujących minimalny wpływ na zużycie przeciwstawnych tkanek zęba.

Materiałem napełniacza są w tym przypadku krzemionka, kwarc, krzemian litowo-glinowy oraz różne rodzaje szkieł (barowe, glinowe, strontowe, cynkowe, itrowe). Celem zapewnienia dobrego wiązania fazy nieorganicznej napełniacza z osnową organiczną, powierzchnie napełniaczy poddaje się działaniu silanów. Przeważająca liczba materiałów kompozytowych do zastosowań stomatologicznych jest zbudowana na bazie dimetakrylanów.

Właściwości kompozytów można modyfikować, wprowadzając do matrycy polimerowej nanocząstki, np. krzemionki, węgliku krzemu, hydroksyapatytu. Nanowypełniacz ma wpływ na właściwości użytkowe materiału stomatologicznego (polerowalność, utrzymanie połysku, ścieralność, konsystencję) i estetykę ostatecznych wypełnień (przezierność, połysk). Najczęściej wykorzystywanym nanonapełniaczem jest nanokrzemionka. Wpływa ona na obniżenie współczynnika tarcia i zużycie materiału oraz przyczynia się do zmniejszenia naprężeń powstających podczas polimeryzacji.

Nanokompozyty polimerowe traktowane są również jako istotna kategoria produktowa w szeroko pojętym budownictwie, gdzie można je wykorzystywać do wykonywania powierzchni odpornych na działanie warunków atmosferycznych, powłok antykorozyjnych i łatwych do czyszczenia paneli elewacyjnych. Ich porowatość sprawia, że idealnie nadają się też do lekkich materiałów izolacyjnych. Jednak pomimo rosnącego zapotrzebowania przemysłu i konsumentów na tak elastyczne i ekologiczne rozwiązania, komercjalizacja nanokompozytowych materiałów budowlanych okazuje się nieoczekiwanie trudna. Większość firm produkcyjnych to małe i średnie przedsiębiorstwa, i tak jest nie tylko w Polsce, ale i całej Europie, co oznacza, że produkcja nanokompozytów w ilościach, które byłyby użyteczne dla przemysłu budowlanego jest ciągłym problemem. Wyzwaniem nie jest prawidłowe prowadzenie badań naukowych, ani nawet znalezienie rynku zbytu, lecz zwiększenie skali z laboratoryjnej do skali przedkomercyjnej linii produkcyjnej, czy linii pilotażowej.


“Chemia i Biznes” nr 4/2021
CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 4/2021

Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.


kompozytynanotechnologiabadania i rozwój

Podoba Ci się ten artykuł? Udostępnij!

Oddaj swój głos  

Ten artykuł nie został jeszcze oceniony.

Dodaj komentarz

Redakcja Portalu Chemia i Biznes zastrzega sobie prawo usuwania komentarzy obraźliwych dla innych osób, zawierających słowa wulgarne lub nie odnoszących się merytorycznie do tematu. Twój komentarz wyświetli się zaraz po tym, jak zostanie zatwierdzony przez moderatora. Dziękujemy i zapraszamy do dyskusji!


WięcejNajnowsze

Więcej aktualności





WięcejNajpopularniejsze

Więcej aktualności (192)



WięcejPolecane

Więcej aktualności (97)





WięcejSonda

Czy ceny energii mają wpływ na działalność Twojej firmy?

Zobacz wyniki

WięcejW obiektywie