Polimer/rétegszilikát Nanokompozitok: Exfoliáció, Szerkezet, Tulajdonságok Pukánszky Béla Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Műanyag- és Gumiipari.

Az előadások a következő témára: "Polimer/rétegszilikát Nanokompozitok: Exfoliáció, Szerkezet, Tulajdonságok Pukánszky Béla Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Műanyag- és Gumiipari."— Előadás másolata:

1 Polimer/rétegszilikát Nanokompozitok: Exfoliáció, Szerkezet, Tulajdonságok
Pukánszky Béla Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Műanyag- és Gumiipari Tanszék MTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

2 Tartalom Bevezetés Típusok Rétegszilikátok szerkezete Exfoliáció
PP kompozitok a kölcsönhatás javítása kémiai reakciók kinetika Tulajdonságok Adhézió, kölcsönhatás Következtetések, jövőkép Köszönetnyilvánítás

3 Bevezetés Definíció: polimer kompozit, amely legalább egy dimenzióban nanoméretű társító vagy erősítőanyagot tartalmaz Osztályozás molekuláris kompozitok kolloidális kompozitok rétegszilikát nanokompozitok Előállítás szol-gél reakció kicsapás in situ polimerizáció interkaláció, exfoliáció

4 Típusok – molekuláris kompozit, komponensek
merev molekula – erősítés hajlékony molekula – mátrix Ruckenstein, E., Yuan, Y., Polymer, 38, 3855 (1997)

5 Típusok – molekuláris kompozit, tulajdonságok
A mechanikai jellemzők elmaradnak a szénszállal erősített kompozitokétól.

6 Típusok – kolloidális kompozit, szol-gél reakció
poliéterszulfon (PES) Juangvanich, N., Mauritz, K.A., J. Appl. Polym. Sci., 67, 1799 (1998)

7 Típusok – kolloidális kompozit, PPy/SiO2 kolloid
Vezető SiO2 részecskék. Flitton, R., Johal, J., Maeda, S., Armes, S.P., J. Colloid Interface Sci. 173, 135 (1995)

8 Típusok – kolloidális kompozit, vezető műanyag
Alacsony perkolációs küszöb.

9 Típusok – kolloidális kompozit, katalízis
Fajlagos Pórus Pórus Sav/bázis felület átmérő térfogat (m2/g) (nm) (cm3/g) 0.01 M HCl 0.08 M NaOH 0.16 M NaOH 0.24 M NaOH Sol-gel technológia, tervezett tulajdonságok. Harmer, M.A, Farneth, W.E, Sun, Q., J. Am. Chem. Soc. 118, 7708 (1996)

10 Típusok – kolloidális kompozit, katalízis
Megnövekedett aktivitás.

11 Bevezetés – előállítás
in situ polimerizáció exfoliáció

12 Rétegszilikát – elképzelés, előnyök
Alapötlet, elképzelés: a nagyfokú anizometriával rendel-kező szilikát lemezek homogén diszpergálása a poli-merben rendkívül nagy határfelületet és különleges tulajdonságokat eredményez. Állítólagos előnyök: nagy merevség nagy szilárdság kiemelkedő hőalaktartóság csökkent éghetőség korlátozott gázáteresztés, jó záróképesség erősítés kis töltőanyag-tartalomnál

13 Rétegszilikát – valóság
Ellentmondásos eredmények; az áttörés még várat magára.

14 Szilikát szerkezet – a módosítás elve
rétegszerkezet cserélhető ionok, változó rétegtávolság

15 Rétegszerkezet – lehetséges elrendezések
Lagaly, G., Weiss, A., Kolloid-Z., Z. Polymere 237, 266 (1970) 243, 48 (1971) 248, 968 (1971) Az elrendezés a szilikát ionsűrűségétől és a kezelőszer mennyiségétől függ.

16 Rétegszerkezet – ionsűrűség
Szilikát Felületi Ekvivalens Ioncsere töltés rétegtöltés kapacitás Biotit Muszkovit Szeladonit Glaukonit Batavit Beidellit-III Montmorillonit Hektorit Lagaly, G., Weiss, A.., Kolloid-Z., Z. Polymere 237, 266 (1970)

17 Rétegszerkezet – kereskedelmi szilikátok
Szabadalmazott kezelés típus mérték Változó szerkezet csúcsok száma rétegtávolság szemcseméret Magyarázat nincs A hatás nem ismert A viszonyok bonyolultabbak, mint amit vártak; többnyire nem vesznek róla tudomást.

18 Exfoliáció – jellemzés
WAXS és TEM mérések alapján általában teljes exfoliációt tételeznek fel. Nam, P. H. at al, Polymer 42, 9633 (2001)

19 Exfoliáció – felületkezelés
A rétegtávolság eloszlása változik a borítottsággal?!

20 Exfoliáció – a feldolgozás hatása
Kérdések rétegszerkezet feldolgozás hatása Lehetséges magyarázatok interferencia exfoliáció degradáció, bomlás víztartalom A feldolgozás hatására a szilikát rétegszerkezete változik; részleges exfoliáció?

21 Exfoliáció – a kezelőszer stabilitása
Az amin stabil a feldolgozás hőmérsékletén.

22 Exfoliáció – víztartalom
Borítottság Távolság Rétegszám (%) (nm) 2 Részleges borítottság esetén a víz elpárolog; diszkrét rétegtávolságok.

23 Részleges vagy semmilyen exfoliáció; mértéke nem becsülhető meg.
Exfoliáció – PP kompozitok, szerkezet Részleges vagy semmilyen exfoliáció; mértéke nem becsülhető meg.

24 Exfoliáció – PP kompozitok, tulajdonságok
A várt javulás elmarad – exfoliáció hiánya?

25 Exfoliáció – a kölcsönhatás javítása, MAPP
Polipropilén 5 m/m% szilikát MAPP A kompozit tulajdonságai javulnak a MAPP hatására. Kaempfer, D., Thomann, R., Mülhaupt, R., Polymer, 43, 2909 (2002) Hasegawa, N., et al. J. Appl. Polym. Sci., 67, 87 (1998)

26 Exfoliáció – hipotézis
Hidrogén kötés a MAH csoport és a szilikát –OH csoportjai között Korlátozott számú aktív csoport! Lehetséges? Kato, M., Usuki, A., Okada, A., J. Appl. Polym. Sci. 66, 1781 (1997)

27 Exfoliáció – kémiai reakció
A homogenizálás alatt kémiai reakciók játszódnak le, amelyek javítják a komponensek kölcsönhatását.

28 Exfoliáció – kémiai reakció
A kvantitatív analízis megerősíti a primer adatok alapján levont következtetéseket.

29 Exfoliáció – kémiai reakció
HDA MAPP Reakciótermék Jelentős változás a spektrumban, további bizonyíték a reakcióra; a termékek azonosítása nehéz.

30 Exfoliáció – kémiai reakció
A feltételezett reakció + A reakció hatására a felület szabaddá válik és erős adhézió alakulhat ki a szilikát, a MAPP, illetve a PP között.

31 Exfoliáció – rétegszerkezet
MAPP hatására a rétegszerkezet eltűnik. Teljes exfoliáció?

32 Exfoliáció – réteg- és szemcseszerkezet
0 % MAPP 30 % MAPP A szerkezet változik, de teljes exfoliáció nincs, legfeljebb részleges. WAXS nem alkalmas az exfoliáció mértékének megállapítására.

33 Exfoliáció – szemcseszerkezet
0 % MAPP 30 % MAPP A szemcseméret eloszlása változik a MAPP mennyiségével; több MAPP kisebb szemcsékhez vezet.

34 Exfoliáció – szemcseszerkezet
A szemcsék lebomlása függ az összetételtől és a körülményektől. A kölcsönhatás kiemelt jelentőségű.

35 Exfoliáció – szemcseszerkezet
A szerkezet és így a TEM felvétel függ a helytől; ez a módszer sem alkalmas a szerkezet egyértelmű jellemzésére.

36 Exfoliáció – kinetika A feldolgozás idejétől független szer-kezet és tulajdonságok. A termodi-namika fontosabb mint a kinetika.

37 Exfoliáció – bekövetkezés és mérték?
Exfoliáció – WAXS, PVC Exfoliáció – bekövetkezés és mérték?

38 Exfoliáció – fényáteresztés, PVC
10 perc 2 tf% MMT Az OMMT tartalmú kompozitok átlátszóak – legalább részleges exfoliáció.

39 Exfoliáció – mennyiségi értékelés
T Frikció Fényáteresztés (%) Exfoliáció (°C) NaMMT OMMT PVC (%) Az exfoliáció mértéke bizonyos feltételezések alapján becsülhető; függ a hőmérséklettől és a frikció nagyságától.

40 Exfoliáció – szerkezet-tulajdonság összefüggés
Összefüggés az exfoliáció mértéke és a tulajdonságok között. Nagyobb mértékű exfoliáció, rosszabb tulajdonság?

41 Tulajdonságok – PVC Az exfoliáció ellenére a várt tulajdonságjavulás nem következett be, a jellemezők rosszak.

42 Tulajdonságok – PA6, szerkezet
-aminosav alifás amin Kis szilikát tartalomnál látszólag teljes exfoliáció.

43 Tulajdonságok – PA6, szerkezet
Az exfoliáció nyilvánvalóan nem teljes, mértéke különböző a két töltőanyagra. Következmények?

44 Tulajdonságok – PA6, a kezelés hatása
Az aminosav „javítja”, az alifás amin látszólag „rontja” a tulajdonságokat.

45 Tulajdonságok – PA6, a kezelés hatása
Itt az alifás amin „jobb”! A kölcsönhatás szerepe fontos. A tulajdonságokat optimalizálni kell.

46 Tulajdonságok – PP, hegedési vonalak
A hegedési vonalak különösen gyengék; a határfelületi kölcsönhatások szerepe nagy.

47 Következtetések, jövőkép
A nanokompozitok állítólag jó tulajdonságokkal rendelkeznek. A várakozások gyakran nem teljesülnek. A kezelt szilikát rétegszerkezete bonyolult, a következmények még nem teljesen világosak. Rendszerint csak részleges exfoliációt sikerül elérni. A teljes exfoliáció sem mindig eredményez jó tulajdonságokat. A határfelületi adhézió erősen befolyásolja a jellemzőket. Elérhető a tulajdonságok megfelelő kombinációja, de az eljárás bonyolult és az anyag drága. Jövőkép A kezelés, az exfoliáció és a kölcsönhatás optimalizálása. Különleges alkalmazási területek.

48 Köszönet; résztvevők Köszönet TVK Rt., Süd Chemie; OTKA T 043517
Sajó István, Grósz Tamás, Kéki Sándor Résztvevők Pozsgay András, adjunktus Százdi László, PhD hallgató Fráter Tünde, PhD hallgató Ábrányi Ágnes, PhD hallgató Papp László, diplomázó hallgató Laurence Daheron, vendéghallgató Varga Katalin, diplomázó hallgató Csapó Ibolya, diplomázó hallgató Rácz Lajos, diplomázó hallgató ifj. Pukánszky Béla, diplomázó hallgató