Warum wir Polymer-Nanokomposite lieben (und das sollten Sie auch!)

Polymer-Nanokomposite sind heute eines der heißesten Themen in der Kunststofftechnologie. Nanokomposite sind Materialien, die nanoskalige Fasern enthalten, die in einer kontinuierlichen Phase gehalten werden, die als Matrix oder Harz bezeichnet wird. Nanopartikel sind solche, die zwischen 1 und 100 Nanometer groß sind. (Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Kunststoff-Nanokomposite bestehen also aus Nanopartikeln, die in Kunstharz eingebettet sind und sind eine nahezu molekulare Mischung aus Harzmolekülen und nanoskaligen Partikeln.

Nanokomposite sind kein neues Phänomen in der Natur. Ein Großteil des anorganischen Teils des Bodens besteht aus Nanomaterialien, die ihm die Fähigkeit verleihen, Partikel auf molekularer oder Nanoebene herauszufiltern. Unsere Knochen sind Beispiele für ein Nanokomposit, ebenso wie Teile von Weichtierschalen. Perlmutt (Perlmutt) besteht beispielsweise aus abwechselnden Schichten von anorganischem Aragonit (CaCO₃ ) und ein organisches Biopolymer. Perlmutt ist doppelt so hart und 1000-mal so zäh wie seine Bestandteile.

Derzeit sind Nanoclays, auch Nanomineralien genannt, das am häufigsten verwendete kommerzielle Additiv für die Herstellung von Kunststoff-Nanokompositen. Nanoclays machen fast 80 % der weltweit produzierten Gesamtmenge aus. Der am häufigsten verwendete Nanoton ist Montmorillonit, ein sehr weiches Mineral, das typischerweise einen Ton aus mikroskopisch kleinen Kristallen bildet. Zunehmend in der kommerziellen Anwendung sind auch Kohlenstoff-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. MWCNTs oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden bei der Herstellung von Halbleitern verwendet. Darüber hinaus sind synthetische polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS) eine weitere Gruppe von Nanopartikeln, die immer häufiger verwendet wird. POSS bestehen aus Silizium- und Sauerstoffatomen, die in kubischer Form miteinander verbunden sind, wobei Siliziumatome die Ecken besetzen. Nanofasern wurden mit einer Vielzahl von Polymeren wie Polyamiden (Nylonen), Polypropylen, Polystyrol, Epoxidharzen, Polyurethanen, Polyimiden, PET und anderen gemischt, um nützliche Polymer-Nanokomposite herzustellen.

Was also macht Polymer-Nanoverbundwerkstoffe besser als gewöhnliche Kunststoffverbundwerkstoffe? In mechanischer Hinsicht unterscheiden sich Polymer-Nanokomposite von herkömmlichen Verbundwerkstoffen durch ihr außergewöhnlich hohes Aspektverhältnis und Oberflächen-Volumen-Verhältnis sowie ihr Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Lassen Sie uns das genauer untersuchen:

• Das Seitenverhältnis ist die Länge/Durchmesser eines Objekts. Somit sind Partikel mit einem hohen Aspektverhältnis lang und schlank, während diejenigen mit einem niedrigen Aspektverhältnis kurz und breit sind. Nanopartikel mit hohem Aspektverhältnis werden als (HARNS) bezeichnet.

• Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist die Größe der Oberfläche pro Volumeneinheit eines Objekts und ist umgekehrt proportional zur Größe. Daher sind Materialien mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen solche, die einen kleinen Durchmesser haben oder sehr porös sind. Diese reagieren viel schneller als monolithische Materialien, da mehr Oberfläche zum Reagieren zur Verfügung steht. Ein einfaches Beispiel ist zwischen groben und feinen Salzpartikeln. Grobes Salz löst sich in Wasser langsamer auf als feine Salzkörner, die ein relativ hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen haben.

• Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht oder spezifische Festigkeit wird hier als die Kraft eines Materials pro Flächeneinheit beim Versagen dividiert durch seine Dichte definiert. Nanoverbundwerkstoffe haben ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis als kohlenstoff- oder glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Die Zugfestigkeit von Carbonfasern beträgt 6.300 MPa bei einer spezifischen Festigkeit von 2.457 kN x m/kg, die von Carbon Nanotubes beträgt 23.000 MPa und eine spezifische Festigkeit von 45.268 kN x m/kg.  Nanoverbundwerkstoffe enthalten in der Regel Beladungen von 2–10 % auf Gewichtsbasis. Diese Verbundwerkstoffe führen jedoch zu Eigenschaftsverbesserungen, die gleich oder besser sind als bei herkömmlichen Polymerverbundwerkstoffen mit 20–30 % Mineral oder Glas.

Polymer-Nanokomposite werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Betrachten wir als Beispiel den Einsatz von Nanokompositen in den Anoden von Lithium-Ionen-Batterien. Die Anoden aus einem Silizium-Kohlenstoff-Nanokomposit ermöglichen einen engeren Kontakt mit dem Lithium-Elektrolyten und damit ein schnelleres Laden und Entladen von Strom. Sie werden auch in Windmühlenflügeln wegen ihres Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und in Autos und Flugzeugen verwendet, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

Verwenden Sie in Ihren Anwendungen Polymer-Nanokomposite? Erzählen Sie mir davon in den Kommentaren unten.

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