Por que amamos nanocompósitos de polímero (e você também deveria!)

Nanocompósitos de polímero são um dos tópicos mais quentes na tecnologia de plástico hoje. Nanocompósitos são materiais que contêm fibras em nanoescala mantidas em uma fase contínua chamada matriz ou resina. Nanopartículas são aquelas que têm entre 1 e 100 nanômetros de tamanho. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Assim, nanocompósitos de plástico são feitos de nanopartículas incorporadas em resina plástica e são uma mistura quase molecular de moléculas de resina e partículas em nanoescala.

Nanocompósitos não são fenômenos novos na natureza. Grande parte da parte inorgânica do solo é composta de nanomateriais, o que lhe confere a capacidade de filtrar as partículas em nível molecular ou nano. Nossos ossos são exemplos de nanocompósitos, assim como partes de conchas de moluscos. Por exemplo, a madrepérola (nácar) é composta de camadas alternadas de aragonita inorgânica (CaCO ₃ ) e um biopolímero orgânico. O nácar é duas vezes mais duro e 1000 vezes mais resistente que seus materiais constituintes.

Atualmente, as nanoargilas, também chamadas de nanominerais, são o aditivo comercial mais utilizado para a preparação de nanocompósitos plásticos. Nanoclays representam quase 80% do volume total produzido em todo o mundo. A nanoargila mais usada é a montmorilonita, um mineral muito macio que normalmente forma uma argila de cristais microscópicos. Também ganhando uso comercial estão as nanofibras de carbono e os nanotubos de carbono. MWCNTs, ou nanotubos de carbono de paredes múltiplas, são usados ​​na fabricação de semicondutores. Além disso, outro grupo de nanopartículas em uso são os silsesquioxanos oligoméricos poliédricos sintéticos (POSS). POSS são feitos de átomos de silício e oxigênio ligados entre si em uma forma cúbica, com átomos de silício ocupando os cantos. As nanofibras foram misturadas com uma variedade de polímeros, incluindo poliamidas (nylons), polipropileno, poliestireno, resinas epóxi, poliuretanos, poliimidas, PET e outros para fazer nanocompósitos de polímero úteis.

Então, o que torna os nanocompósitos de polímero melhores do que os compostos de plástico comuns? Em termos mecânicos, os nanocompósitos de polímero diferem dos materiais compostos convencionais devido à sua proporção de aspecto excepcionalmente alta e proporções de superfície para volume, bem como suas proporções de resistência para peso. Vamos examinar isso mais detalhadamente:

• A proporção da imagem é o comprimento / diâmetro de um objeto. Assim, as partículas com uma razão de aspecto alta são longas e delgadas, enquanto aquelas com uma razão de aspecto baixa são curtas e largas. Nanopartículas de alta razão de aspecto são chamadas de (HARNS).

• A proporção entre superfície e volume é a quantidade de área de superfície por unidade de volume de um objeto e é inversamente proporcional ao tamanho. Assim, os materiais com uma elevada relação entre a área superficial e o volume são aqueles de diâmetro pequeno ou muito porosos. Estes reagem a taxas muito mais rápidas do que os materiais monolíticos porque mais área de superfície está disponível para reagir. Um exemplo simples é entre partículas grossas e finas de sal. O sal grosso se dissolve mais lentamente na água do que os grãos de sal finos que têm uma relação superfície / volume relativamente alta.

• A relação resistência / peso ou resistência específica é definida aqui como a força de um material por unidade de área na falha dividida por sua densidade. Os nanocompósitos têm uma relação resistência / peso mais alta do que os compostos reforçados com fibra de carbono ou fibra de vidro. A resistência à tração da fibra de carbono é de 6.300 MPa com uma resistência específica de 2.457 kN x m / kg, enquanto a dos nanotubos de carbono é de 23.000 MPa e uma resistência específica de 45.268 kN x m / kg. Os nanocompósitos normalmente contêm cargas de 2 a 10% com base no peso, mas esses compostos produzem melhorias nas propriedades que são iguais ou melhores do que os compostos de polímero tradicionais contendo 20-30% de minerais ou vidro.

Nanocompósitos de polímero são usados ​​em uma variedade de aplicações. Como exemplo, vejamos o uso de nanocompósitos nos ânodos de baterias de íon de lítio. Os ânodos feitos de nanocompósito de silício-carbono permitem um contato mais próximo com o eletrólito de lítio e, portanto, carregamento e descarregamento mais rápido de energia. Eles também são usados ​​em pás de moinhos de vento por sua relação resistência / peso e em carros e aeronaves para melhorar a eficiência do combustível.





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