Nanoglinek és feltörekvő piacuk

A "Nanoglina" az agyag ásványgyártás általánosan elfogadott kifejezése egy filoszilikát vagy lemezszerkezettel, amelynek vastagsága 1 nm, és a felület lineáris mérete 50-150 nm. Az ásványi bázis lehet természetes és szintetikus, és hidrofil. Az agyag felületét különböző vegyszerekkel lehet módosítani, így organofil tulajdonságokkal rendelkeznek, és így kompatibilisek a szerves polimerekkel. A nanoklíák felülete nagyon nagy, kb. 750 m 2 g -1. Amikor a kis mennyiségeket hozzáadják a polimer mátrixhoz, a kapott anyagot "nanokompozitnak" nevezik.

A nanokompozitok koncepciója nyilvánvalóan forradalmi úttörő tanulmányait a japán Unitika Kft. az 1970-es években. és függetlenül a Toyota Központi Kutató és Fejlesztő Laboratóriumában az 1980-as évek végén. Az elmélet alapja az a tény, hogy ha a nanoagyagot lehet teljesen diszpergálva vagy megoszlik egy nagy oldalarányú lemezeket azok viszonylag kis számban (2-5 tömeg.%) A polimerek, egy sor mechanikus és zárási tulajdonságait az utóbbi javulna. Eredeti munka, mint a Unitika. és a Toyota CRDL-ben. a nylon-6 insitu nanokompozitjainak előállítási folyamatán alapult. Ebben az eljárásban, az agyag vezetjük be azt a lépést, kaprolaktám monomer és kaprolaktám hajtották végre agyag táplálja.

Megfelelő körülmények között a reaktorban a kaprolaktám polimerizálódik, a lemezek kitágulnak és réteges elemekké válnak a polimer tömegében. A Toyota arról számolt be, hogy az NCH anyagok (nylon-6 nanokompozit / agyag hibrid) a mechanikai, termikus és gázzáró tulajdonságok jelentős javulását mutatják 2-5 tömeg% mennyiségben. montmorillonit. A Toyota CRDL nylon-6 / agyag-nanokompozitokat (NCC) is létrehozott az ömledékképződés útján.

Más gyártási nanokompozitok módszerek közé feldolgozás segítségével az oldószer, amelyben a ko-oldószert használunk, hogy megkönnyítse bemenetére a monomer a csatornákat, majd ezt követően eltávolítjuk a polimer rendszer, valamint a módszerek közvetlen interkalációs a polimer olvadék a közvetlen hozzáadásával nanoagyagot a polimer ömledéket nyírási körülmények és megemelt hőmérséklet, amely lehetővé teszi a polimer közvetlen hámlását.

Sok nanoagyagot alapuló szmektit agyagok, mint a montmorillonit - hidroxid, hidratált nátrium-szilikát, kalcium, alumínium, magnézium, (Na, Ca) (AI, Mg) 6 (Si4O10) 3 (OH) 6 · n H2O. A montmorillonit a természetes földtani állapotában kis mennyiségben megtalálható az egész világon.

Olyan nagy lerakódások esetén, amelyekben az ásvány több mint 50% feletti koncentrációban van jelen sok más ásványi anyaggal, bentonitként ismert. Ipari szempontból jelentős bentonit lerakódásokat találnak különböző földtani régiókban, az Egyesült Államoktól (különösen a Wyomingig) és Kelet-Európáig, a Közel-Keletig, Kínáig és így tovább.

Természetes montmorillonit agyag gyakran a módosítás eredményeképpen in situ vulkáni hamu marad a vulkánkitörések nyugati és közel a Csendes-óceán partján, az Egyesült Államokban a kréta időszakban (85-125000000. Évekkel ezelőtt). A hamu és az agyag módosítási folyamatának időjáról és természetéről alkotott vélemények eltérnek. Nyilvánvaló, hogy az átalakulás vízzel való érintkezéskor kezdődött. A hamu instabilitása könnyű feloldódást és reakciót eredményez a tengervíz kémiai elemeivel. Talán az agyagképződést befolyásoló legfontosabb és egyetlen tényező az volt, hogy elegendő mennyiségű magnézium áll rendelkezésre a tengeri üledék környezetében. Ennek eredményeképpen kémiai és szerkezeti változások történtek a betétek teljes földtani történetében. Becslések szerint a kész betétek, például Wyomingban, több mint 1 milliárd tonna rendelkezésre álló agyagot tartalmaznak.

A földön geológiai térképek vannak a Globe területén, ahol agyagokat találtak. Az ilyen térképek és kapcsolódó fotók és topológiai térképek segítenek a feltáró fúrással kapcsolatos döntések meghozatalában. Ezt az aktivitást a "gödrök" fúrásának nevezték, és első lépése a szakaszok középpontjainak fúrási vizsgálati gödrök, amelyek lineáris mérete 50-300 láb (15-90 méter). A globális műholdas helymeghatározás (GPS) használata néhány centiméteres pontosságot biztosít a topológiának.

A letöltött hamu mennyiségétől függően a betétel mélysége több centimétertől több méterig terjedhet, és a hosszúság akár száz méter lehet. A lyukfúrási adatok megadják a betét profilját, és ennek megfelelően kiválasztják a bányászati ​​berendezéseket.

A borítóréteg eltávolítása után az agyagrétegek lemezekké alakulnak és a kivonás előtt a napon szárítják. A bányát rétegenként eltávolítják a bányából, és rétegenként halmozódnak fel. Ezek a szerkezetek nagyon pontosak, hogy biztosítsák a nyers agyag egységességét.

A Montmorillonite agyagot nem agyag ásványoktól (kvarc, kavics és mészkő) különítik el, majd felületkezeléssel. A montmorillonit agyag előállításához rétegzett állapotban nagy mennyiségű vizet használnak, így a nagy részecskék elkülöníthetőek.

A felületkezeléshez használt szerves módosító rendszerint kvaterner ammóniumvegyületek, bár lehetséges más ionok, például foszfóniumvegyületek alkalmazása is. Az előforduló reakció az ioncserélés, amelynek során a pozitív töltésű kvaterner só a nátrium-kationokat az agyag felületére cseréli. A reakció eredményeképpen az agyag szerves réteggé alakul át, hidrofil tulajdonsága hidrofób jellegűvé válik.

A szintetikus agyagok különböző kémiai forrásokból állíthatók elő, amelyek a szükséges elemeket tartalmazzák, nevezetesen a szilíciumot, az oxigént, az alumíniumot, a magnéziumot stb. Úgy tűnik, hogy a természetes agyagok a nyersanyagban rejlő alacsony költségek előnyeit élvezik, de a tisztaság, a töltéssűrűség és a részecskeméret szabályozására való képesség ebben az esetben objektív nehézségekhez kapcsolódik.

A csak a szintetikus agyag jelen a piacon több éve, egy szintetikus csillám, készült természetes nyersanyagok, talkumot, amelyet feldolgoz egy magas hőmérsékletű elektromos kemence lúggal-fluor-szilikát. A kémiai szerkezet a következő: NaMg2,5 SÍO4 O10 (Fα OH1-α) 2 (0,8 ≤ α ≤ 1,0).

Szilícium és oxigén jelen vannak minden agyagásványok, és azok együttes különböző módokon más elemekkel, például alumínium, magnézium, vas, nátrium, kalcium és kálium, ahol a kapcsolat az elemek közötti képezhet számos különböző konfigurációban. Egy fontos sajátossága az agyagásványok az a képesség, egyes agyagok változtatni térfogata van, amikor a víz felszívódását molekulák más poláros ionok azok szerkezetét. Ezt nevezik a duzzadási képességnek. Az agyagok duzzadási és nem duzzadt anyagokra vannak felosztva; Az agyag-duzzasztásokat szmektitoknak nevezik. A sok szmektit közül a montmorillonit a nanokleuszok számára a legalkalmasabb alapnak tűnik.

A szilícium a montmorillonit agyagok meghatározó összetevője; az alumínium hozzájárulása is jelentős. Az agyagok két rétegből álló rétegszerkezettel rendelkeznek: szilícium-tetrahedrák rétegei és alumínium-oxid-rétegek. A szilícium-tetra-tetra-réteg szilícium-tetra-rétegből áll, amely Si4O10-összetételű ismétlődő egységek hatszögletű rácsához kötött SiO4-csoportokból áll. Az alumínium-oxid réteg két szoros csomagolású oxigénatomból vagy hidroxilcsoportból áll, amelyek között az octaéderes koordinációban lévő alumínium-atomok hat oxigénatom vagy hidroxilcsoport egyenlő távolságra vannak elhelyezve. A két tetraéderes réteg szendvics típusú struktúrát képez, oktaéderes réteggel, amelynek közös apikális oxigenátja van az utóbbival. Ez a három réteg egy agyag levél.

Ha az oktaéderes pozíciókat alumínium-oxid foglalja el, a szerkezet nem utal montmorillonitra, hanem az inert ásványi pirolyiitre. Így az izomorf szubsztitúció jelensége rendkívül fontos az agyszerkezet szempontjából. A háromértékű magnéziummal vagy vasal (II) háromértékű alumínium cseréje a kristály negatív töltéséhez vezet. A túlzott negatív töltés kompenzálja az agy felszínén olyan kationokkal, amelyek túl nagyok ahhoz, hogy integrálódjanak a kristály belsejébe. Továbbá a környezet alacsony pH-ja mellett az agyag kristály élei pozitív töltésűek, és ezeket anionok kompenzálják.

Az agyag montmorillonitnak a szerves polimerekkel kompatibilis nanoclayká való átalakításához ioncserélési eljárást végeznek a felületkezeléshez. Jellemzően egy szerves kationt, például kvaterner ammónium-kloridot használnak, ami megváltoztatja az agyag hidrofil / hidrofób tulajdonságait.

A montmorillonit agyag jellemző jellemzői a következők:

• alak: lemezek;

• mérete: vastagság 1 nm, keresztirányú mérete 75-150 nm;

• töltés: az egységcellában 0,5-0,75 92 milliekvivalens / 100 gramm agyag töltődik;

• Felület:> 750 m 2 ∙ g -1;

• fajsúly ​​2,5 (alacsony az alkil-kvaterner ammónium-bentonitok esetén);

• Részecske: kemény, nem csiszoló (Mohs keménység 1-2).

A nanoglinek viszonylag új ipari termékek, ezért a költség / ár szerkezetét még nem állapították meg. Az eladott mennyiségek kicsiek és tükrözik a specifikusságot és a rendezetlen árképzési politikákat. Mivel a piac növekedése és "érése" várható, hogy ezeknek az anyagoknak az árai 2-4 USA dollár (4,5-9 USD / kg).

A nano-agyagok - amellett, hogy nagy kiterjedésű erősítőkkel rendelkező elsődleges funkciójukon kívül - fontos kiegészítő funkciókat látnak el termikus és záró tulajdonságaik, valamint szinergikus égésgátló tulajdonságaik miatt. Néhány olyan tényező, amely biztosítja a nanokompozitok jó tulajdonságait:

• laminálás (felületaktív anyag és polimer);

• határfelületi tapadás vagy nedvesíthetőség;

• rétegződés (a réteges szerkezet eloszlatása és megsemmisítése).

Bizonyos körülmények között a térbeli csatornák monomerrel, oligomerrel vagy polimerrel tölthetők meg. Ez növeli a lemezek közötti távolságot, ami megdagadja az agyagot. A polimerrel duzzadt agyaglemezeket "interkaláltnak" nevezik. Ha az agyag olyannyira megduzzad, hogy nem maradhat megállítva, azt mondják, hogy "hámlalt".

A száraz nanoclay részecskék névleges mérete körülbelül 8 μm. A részecske részaránya körülbelül egymillió agyaglemezből áll, amelyek "taktoidnak" nevezett lemezcsomagokból állnak. Segítségével kombinációja kémiai és vizsgálati módszerek a feldolgozás / nyírási részecske osztva tactoids, héja lemez a tactoids és teljesen nem diszpergálódik vagy eksfoliiruyutsya.

Az agyag / polimer nanokompozitok fő vonzó tulajdonsága, hogy sokkal kisebb mennyiségű nanoclay használható a polimer funkcionális tulajdonságainak fokozására anélkül, hogy más kulcsfontosságú tulajdonságokat károsítanának. Nyilvánvalóan az egyik legfontosabb feladat az volt, hogy teljesen rétegzett termékeket fejlesszen ki annak érdekében, hogy a nanokleitektől maximális előnyöket érjen el. A diszperziós folyamat részecskékké törnek tactoids, és héja tányér tactoids, majd teljesen mátrixban diszpergálva vagy eksfoliiruyutsya. A vegyület kialakításakor a folyamat fontos paraméterei: az agyagtöltő hely helyzete, az ikercsigás extruder típusa és a csigák szerkezete / sebessége.

A készlet a potenciális mátrix rendszerek, beleértve a poliamidok, poliolefinek, PVC, TPU, PLA, EVA, ionomerek, gumi termékek és újrahasznosítás polimer keverékeket tárgyalja bevezetésére vonatkozó ott nanoagya-gok. Habár számos polimerben hámlás történt, ez nem vezetett a mechanikai tulajdonságok jelentős javulásához (a modul kivételével). A nanokompozitok iránti elkötelezettség iránti érdeklődés még nem vezetett az ipari termékek bőségéhez. A termelés azonban növekszik, mivel a gyártók, feldolgozók és felhasználók több tapasztalattal rendelkeznek a termékek kezelésében és a potenciális ipari alkalmazások megtalálásában. Mint mindig, amikor új technológia vagy termék jelenik meg, szükség van a nehézségek leküzdésére. Például a szerszámozáshoz néhány szerkezeti változás szükséges, a zsugorodás mértéke megváltozott, és a festékek összetételét módosítani kellett. nanokompozit termelés is volt a probléma: a bevezetése egy kis mennyiségű nanoagyagot a TIC szükség a jó eloszlása ​​és diszperziója a száraz termék a polimer olvadék, úgy, hogy az agyag lehet rétegesen jelentősen.

A következőkben további példák a nanokírok multifunkcionális jellegére:

A 6-os Nanonailon-6-ot a Unitika a motorburkolatokba gyártotta, amelyeknél lényegesen magasabb a termikus deformáció hőmérséklete, mint amit a nylon-6 érte el. Ha 4 tömeg% A szintetikus csillám deformáció hőállósága (1,8 MPa-nál) 70 ° C-ra emelkedett tiszta nylon 6-tól 152 ° C-ig. Ezenkívül a hajlítási szilárdság 108-ról 158 MPa-ra emelkedett, és a hajlítási modulus 3,0-ról 4,5 GPa-ra emelkedett.

A nanokompozitok csökkentették a gyúlékonyságot, különösen a csúcs hőkibocsátás csökkenése miatt. Kombinálva hagyományos égésgátlók, mint a magnézium-hidroxid vagy alumínium-trihidrát fejlesztettek, néhány kábelek és termékek poliolefin alapú, amely 5% nanoagyaghoz tartalom csökkentésére a hagyományos égésgátlók szükséges fizikai tulajdonságok javítására.