Polimeri nanocompositi

Polimeri nanocompositi
Da circa sette anni l’industria dei polimeri sta sviluppando la ricerca sui nanocomposti a base di
silicati, ovvero polimeri le cui proprietà vengono potenziate con l'aggiunta di specifici filler (in particolar
modo argille organiche) distribuiti a livello nanometrico nella matrice polimerica.
Recentemente si sono tenute tre conferenze sui nanocompositi ( “Nanocomposites 2004” a San
Francisco, “SPE Antec 2004” a Chicago e “Nanocomposites 2004” a Bruxelles), dove sono state
presentate circa 200 ricerche e applicazioni nel settore polimeri.
Secondo le previsioni la tecnologia legata ai nanocompositi sarà la più grande novità dei prossimi anni
e sconvolgerà letteralmente il mondo delle materie plastiche.
I polimeri, rinforzati con percentuali molto basse di particelle nanometriche (circa 2-5%), presentano
(rispetto alla resina base) enormi miglioramenti nelle caratteristiche termomeccaniche, nelle proprietà
barriera e nella resistenza al fuoco.
Possono,inoltre, superare i tradizionali filler e le fibre (ad esempio vetro, cariche minerali, carbonato di
calcio, grafite, ossidi di metallo, carbon black) nella resistenza al calore, nella stabilità dimensionale e
nella conduttività elettrica.
Le aspettative del comparto plastico verso questi nuovi materiali sono alte. Sebbene l’entrata nei
settori dell’automotive e del packaging sia stata più lenta di quella prevista, l’entusiasmo dei ricercatori
e degli operatori del mercato indica che ci sarà una repentina accelerazione.
Una ricerca condotta dalla Business Communications Co. Inc. (Norwalk, Conn.) stima l’attuale
mercato mondiale dei polimeri nanocompositi in circa 11,1 tonnellate, valutate circa 90,8 milioni di
dollari.
La suddetta ricerca prevede un incremento medio annuo della produzione del 18,4% e il
raggiungimento ,entro il 2008, della cifra di 211,1 milioni di dollari.
Anche se lo sviluppo dei nanocompositi dovesse trovare,lungo il suo cammino, eventuali difficoltà o
impedimenti, la BCC sostiene che alcune applicazioni cresceranno più del 20% annuo.
I filler nanometrici più sviluppati ed impiegati nelle attività di Ricerca e Sviluppo e nei progetti
commerciali sono layer di argille silicatiche (fillosilicati, come il talco), i nanotubi in carbonio e le
lamelle di grafite.
Parallelamente vengono sviluppate ricerche che puntano su altri tipi di filler, come argille sintetiche,
POSS (polyhedral oligomeric silsesquioxane) e anche fibre naturali, come lino e canapa.
I principali filler nanometrici
I nanofiller più diffusi sono le nanoargille (principalmente la montmorillonite, un silicato di alluminio) e i
nanotubi in carbonio (mono o multistrato).
Il loro impiego prevede una fase preliminare di “attivazione” ovvero un trattamento chimico della
superficie per favorire l’accoppiamento con la resina polimerica e la dispersione all’interno di essa.
Sia le argille che i nanotubi in carbonio( come la maggior parte dei nanofiller ) aumentano le proprietà
strutturali, termiche e di barriera della resina polimerica base.
I nanotubi in carbonio inoltre accentuano le proprietà conduttive della matrice polimerica.
Le argille hanno avuto una diffusione commerciale più ampia grazie al loro costo inferiore (circa 2,253,25 dollari al grammo) e hanno mostrato la loro utilità nei più comuni termoplastici, come PP, TPO,
PET, PE, PS e PA.
I produttori Statunitensi più quotati sono NANOCOR (con la linea Nanomer ) e SOUTHERN CLAY
PRODUCTS (con la linea Cloisite).
Entrambe le compagnie hanno stretto forti alleanze con fornitori di materie plastiche, compoundatori
e OEM del settore automotive e packaging.
L’impiego dei nanotubi a livello commerciale è, invece, piuttosto ridotto a causa del loro costo
elevato( circa 100 dollari al grammo).
Ecco perché le applicazioni di polimeri nanostrutturati con nanotubi di carbonio sono mirate a
specifici obiettivi i cui rapporti costi/benefici siano ben giustificati.
Pertanto i polimeri nanostrutturati con nanotubi di carbonio vengono impiegati soprattutto per
proteggere dall’energia statica componenti delicati (ad esempio il sistema di alimentazione della
benzina,sviluppando un nylon ad hoc) o componenti hardware per sistemi informatici (ad esempio le
testine read/write dei computer).
I nanotubi sono strutture tubolari costituite da uno o più strati cilindrici: il diametro interno è
generalmente di 1-2nm mentre quello esterno arriva fino ai 12nm.
La loro lunghezza varia da 10 microns fino a 100 microns, avendo così un aspect ratio di 1000:1.
I nanotubi in carbonio offrono una resistenza alla trazione 50 volte superiore a quella dell’acciaio
inossidabile (100GPa contro 2 GPa) e 5 volte la conducibilità termica del rame.
Quando sono incorporati nella matrice polimerica, i nanotubi possono far valere le loro proprietà
termo ed elettroconduttive rispetto ai tradizionali carbon black e polveri metalliche.
I produttori di nanotubi sono HYPERION CATALYSIS con il Fibril (nanotubi a parete multipla) e
ZYVEX CORP. con il NanoSolve (nanotubi a parete singola o multipla).
Applicazioni
General Motors è stata la prima a mettere i nanocompositi su strada, impiegandoli nei modelli GMC
Safari, Chevrolet Astro e Chevrolet Impala.
Il materiale impiegato è un PP con nanoclay ed è stato sviluppato dal centro ricerche GM in
collaborazione con Basell North America e Southern Clay Products.
Recentemente GM ha utilizzato polimeri nanocompositi per le parti relative alla copertura della parte
posteriore del GM Hummer H2 SUT.
Honda ha invece utilizzato il nuovo compound nanostrutturato a base PP della Noble Polymers per
realizzare i retrosedili della Acura TL2004.
Precedentemente veniva impiegato un PP rinforzato vetro che però causava problemi di
processabilità, difetti estetici e deformazioni.
Attualmente viene impiegato il compound nanostrutturato. Quest’ultimo oltre ad aver risolto i
suddetti problemi, presenta pure una minore densità (0,928g/cc), proprietà meccaniche superiori e
una migliorata qualità estetica, mantenendo comunque la riciclabilità.
Non solo l’automotive, ma anche altri settori sono interessati dall’innovazioni dei polimeri
nanostrutturati, come il settore elettrico ed elettronico (con General Electric in primis ), quello
aerospaziale (NASA), quello della ricerca e quello della certificazione dei materiali (come UL e
NIST).
Componenti dell’Hummer H2 della
General Motors (anno 2005)
Copertura posteriore dei sedili della
Honda Acura (anno 2004)
Componente delle porte laterali della
Chevrolet Impala (anno 2004)
PA6
non caricato
PA6
PA6
PA6
5%nanoargille 30% minerale 10% vetro
Resistenza a
trazione (MPa)
69
92
65
96
Modulo a
flessione (MPa)
2.900
4.300
4.800
4.100
65°
102°
92°
190°
HDT (°C)
Peso specifico
1,13
1,14
1,38
1,21
(g/cc)
Confronto delle proprietà meccaniche e termiche per la poliammide 6
Tabella 1 – Lista delle principali applicazioni di polimeri nanocompositi
Matrice polimerica Nano-Filler
Mercato di riferimento
Nylon 6
Argille organiche
Films barriera
PP
Argille organiche
Packaging
Nylon 12
Nanotubi
Materiali elettroconduttivi
PPO/Nylon
Nanotubi
Parti colorate settore automotive
Nylon 6
Argille organiche
Bottiglie e films
PETG, PBT
PPS, PC, PP
Nanotubi
Materiali elettroconduttivi
EVA
Argille organiche
Cavi e fili
Nylon 6
Argille organiche
Vari impieghi
PP
Argille organiche
Stampaggio
Nylon MDX6
Argille organiche
Bottiglie di birra
Poliestere insaturo
Argille organiche
Trasporti, settore marino
Nylon 6, PP
Argille organiche
Vari impieghi, materiali
elettroconduttivi
Nylon 6
Argilla, mica
Materiali ritardanti di fiamma
POM
Argilla, mica
Vari impieghi
Nylon 6, 12
Argille organiche
Vari impieghi
Nyon 6, 66
Argille organiche
Sistemi carburante per auto
Nylon 6
Argille organiche
Vari impieghi
Fonte: Bins & Associates, Sheboygan, Wis.
Riferimenti:
Business Communications Co. Inc., Chevrolet, Crysler, Du Pont, General Electric, General Motors,
Honda, Bins & Associates.