Nanokompozyty polimerowe.pdf

Wyniki badań odporności na uderzenie ochrania-

czy goleni przeprowadzone przy energii uderzenia

30 J (tabela 3) jednoznacznie wskazują, Ŝe dodat-

kowe amortyzatory znacznie obniŜają wartość siły

przenoszonej pod próbkę i są wręcz niezbędne dla

zapewnienia 3 poziomu ochrony.

– Dla uzyskania 2 poziomu ochrony stosowanie

dodatkowych amortyzatorów nie jest konieczne.

– Dla uzyskania 3 poziomu ochrony niezbędne jest

stosowanie dodatkowych amortyzatorów.

Literatura

Wnioski

1. BS 7971: 20002: Odzie Ŝ i sprz ę t ochronny do

u Ŝ ytku w sytuacjach przemocy i podczas szkolenia,

Cz ęść 1: Wymagania ogólne i Cz ęść 4: Ochrania-

cze ko ń czyn. Wymagania ogólne i metody badaw-

cze.

2. Praca badawcza ITB „MORATEX”:

„Modyfikacja technologii elementów ochraniaczy

przeciwuderzeniowych ko ń czyn w celu

podniesienia ich parametrów technicznych”; Łód ź

2006.

3. G. Redlich, K. Fortuniak: Odporno ść ochraniaczy

ko ń czyn na uderzenie – ocena z zastosowaniem

normy B 7971; „Techniczne Wyroby Włókienni-

cze”; 2004, nr 3-4, s. 96-98.

Recenzja: dr in Ŝ . Sylwia Tarkowska

Badania zmodyfikowanych wersji ochraniaczy

wykazały następujące zaleŜności:

– Sposób wyprofilowania kształtki zewnętrznej ma

istotny wpływ na wartość siły przeniesionej pod

próbkę. Im bardziej rozbudowaną ma powierzchnię,

tym lepsze uzyskuje się wyniki odporności na

uderzenie. Na wielkość amortyzacji uderzenia wpływ

ma nie tylko kształt „karbu”, lecz równieŜ jego

wysokość.

– Zastosowanie róŜnego typu amortyzatorów

w przedmiotowych ochronach znacznie poprawia

odporność na uderzenie badanych części.

Nanokompozytypolimerowe–rolananododatków

Magdalena Olejnik

Instytut Technologii Bezpieczeństwa „Moratex”, Łódź

anotechnologia jest szybko rozwijającą się

interdyscyplinarną dziedziną wiedzy, obej-

mującą wiele obszarów badawczych, jak

np. fizyka, chemia, biologia, mechanika czy

medycyna.

Ze względu na początkową fazę rozwoju zakres

tematyczny nanotechnologii nie został dotąd

jednoznacznie zdefiniowany. Brak kompleksowego

ujęcia obszarów badawczych w dziedzinie nano-

technologii zawartych w strategiach, inicjatywach

i opracowaniach krajowych oraz międzynarodowych

wynika głównie z tego, iŜ obejmują one jedynie

tematykę uznaną za priorytetową przez zespoły ją

opracowujące [1].

Na podstawie wcześniejszych propozycji podzia-

łów obszarów badawczych zawartych w doku-

mentach innych państw i organizacji oraz we

współpracy z krajowym środowiskiem naukowym

Interdyscyplinarny Zespół ds. Nanonauki i Nano-

technologii opracował trzypoziomową polską klasy-

fikację, zawierająca dziesięć głównych obszarów

badawczych nanotechnologii (tabela 1).

Dla obszarów podstawowych (tabela 1) przed-

stawiono podział szczegółowy uzupełniony na

poziomie trzecim przykładowymi opisami zakresu

zainteresowań.

Rozpatrując podział szczegółowy, na uwagę

zasługuje obszar badawczy obejmujący nanoma-

teriały i kompozyty. Spośród wielu przytoczonych

przykładów zakresu zainteresowań wyróŜnia się

wiele obszarów zastosowań nanomateriałów od

ceramiki po medycynę.

NaleŜy podkreślić, iŜ pojęcie nanomateriały jest

określeniem bardzo ogólnym. Grupa ta obejmuje m.

in. nanokompozyty polimerowe, które ze względu na

swoje szerokie zastosowanie wzbudzają coraz

większe zainteresowanie środowiska naukowego.

Nanokompozyty polimerowe, czyli materiały

dwufazowe, w których w matrycy polimerowej

rozmieszczone są nanododatki, wytwarza się na

bazie polimerów zarówno termoplastycznych, jak

i termoutwardzalnych. Natomiast drugi składnik to

najczęściej substancje nieorganiczne, np. krzemiany

warstwowe, krzemionka bądź fulereny, nanorurki

węglowe, metale oraz gazy (w tzw. nanopiankach

polimerowych) [3].

DuŜe zainteresowanie tego rodzaju nowymi

kompozytami związane jest z ich właściwościami

Techniczne Wyroby Włókiennicze 2008

Tabela 1. Obszary badawcze w dziedzinie nanonauk

i nanotechnologii według „Narodowej Strategii dla Polski” [2]

Jednoatomowe

urządzenia

Manipulatory

molekularne

Sensory i biosen-

sory

Urządzenia

w nanoskali

Podział

podstawowy

Podział

szczegółowy

Opis

np. przyrządy i oprogra-

mowanie do pomiarów

metodami mikroskopo-

wymi; mikroskopy prób-

ników skanujących; na-

nopróbniki składu che-

micznego; urządzenia do

manipulacji pojedynczymi

obiektami w nanoskali;

metody wykorzystujące

promieniowanie

synchrotronowe i promie-

niowanie laserowe; metody

nanolityki w skali nano

Nanofizyka

Nanochemia

Nanomechanika

Nanobiologia

Nanoinformatyka

np. modelowanie własności

obiektów w skali nano;

tarcie i zwilŜanie,

nanoprzepływy i dyfuzja

powierzchniowa; granice

miniaturyzacji; zjawiska

samogromadzenia i sa-

moorganizacji; modelo-

wanie struktury moleku-

larnej i właściwości che-

micznych nanocząstek

i nanostruktur; aktywność

chemiczna nanocząstek i

nanostruktur;

fizykochemiczne podstawy

powstawania układów

samoorganizujących się

Nanoanalityka

i nanometrologia

Urządzenia

Metody

Zjawiska i procesy

w nanoskali

Sensory subko-

mórkowe i nano-

trasery

Biomembrany

Nanokapsuły

Obiekty

Nanocząstki

Nanodruty,

nanowłókna

i nanorurki

Nanostruktury

powierzchniowe

Nanostruktury

trójwymiarowe

Nanobio

biomi-

Nanostruktury

np. nanokryształy i mate-

riały porowate

metyczne

Maszyny moleku-

larne

Terapia celowana

Urządzenia

diagnostyczne

Biochipy-systemy

diagnostyczne

InŜynieria

tkankowa

Maszyny

molekularne

np. przenośne urządzenia

lab-on-chip; wszczepialne

bioczujniki

np. nanomateriały mag-

netyczne i dla spintroniki;

nanomateriały dla

elektroniki; nanomateriały

dla optyki i fotoniki;

nanomateriały dla

medycyny; nanomateriały

na sensory, nanomateriały

na ogniwa i baterie;

nanomateriały dla katalizy;

nanomateriały tekstylne;

nanomateriały metaliczne;

nanomateriały ceramiczne;

nanomateriały polimerowe;

materiały nanohybrydowe

Nanomedycyna

Nanomateriały

funkcjonalne

Nanomateriały

konstrukcyjne

Nanomateriały

i kompozyty

Procesy

i urządzenia

produkcyjne dla

nanotechnologii

mechanicznymi, optycznymi, elektrycznymi oraz

termicznymi, które są znacznie lepsze w porównaniu

do tradycyjnych kompozytów. Przy czym

wprowadzenie do matrycy polimerowej nanododatku

w ilości 3-5% wystarcza, aby osiągnąć określone,

wysokie właściwości nanokompozytu [4]. Jego

właściwości związane są m.in. ze zwiększoną

powierzchnią oddziaływania pomiędzy składnikami

kompozytu (między nanododatkiem

a fazą polimerową) oraz specyficznymi właściwoś-

ciami nanododatku.

Zastosowanie nanotechnologii w formowaniu

włókien chemicznych stwarza nowe moŜliwości

uzyskania z nich wyrobów o większej funkcjo-

nalności w porównaniu do wyrobów otrzymywanych

z tradycyjnych włókien. Prowadzone obecnie w tej

dziedzinie prace, dotyczące nanotechnologii, moŜna

podzielić na dwa kierunki, a mianowicie:

otrzymywanie nanowłókien oraz otrzymywanie

Nanoelektronika

i nanomagnetyzm

Elektronika

molekularna

Elektronika

polimerowa

Pamięci masowe

Nanotechnologia

półprzewodników

Nanolotografia

i nanodruk

Nanomagnesy

np. magnesy z poje-

dynczych molekuł; nano-

magnesy molekularne

o wysokim spinie

Nanooptyka

Nanofotonika

Optoelektronika

Optyka kwantowa

Powierzchnie

optyczne mano-

metryczne

Plazmonika

Nowe źródła i de-

tektory

np. kryształy fotoniczne;

światłowody fotoniczne;

jednofotonowe źródła

światła i źródła fotofnów

skorelowanych; światło-

wody plazmonowe; mo-

lekularne czujniki plaz-

monowe

promie-

niowania

Techniczne Wyroby Włókiennicze 2008

włókien z nanokompozytów. Nanowłókna mogą

mieć w przyszłości wiele zastosowań m.in. w tech-

nice, inŜynierii materiałowej, jak równieŜ w medy-

cynie. Wiele ośrodków badawczych prowadzi

intensywne badania nad wykorzystaniem ich

w leczeniu tkanek miękkich, jako nośników leków

lub materiałów opatrunkowych czy podłoŜy dla

inŜynierii tkankowej [5, 6]. Natomiast włókna

z nanokompozytów mogą być stosowane w znacznie

większej liczbie dziedzin, między innymi ze względu

na ich dobrą przerobowość na płaskie wyroby

włókiennicze.

L ekarstwo

N anocząsteczk i

magnetyczne

jak o nośni ki leku

M anipulacja

zewnętrznym

polem

magnet ycznym

Rodzaje nanododatków i ich zastosowanie

Zmienione

chorobowo

komórki

Wprowadzenie do matrycy polimerowej nanodo-

datku, w zaleŜności od jego rodzaju ma na celu

nadanie kompozytom odpowiednich właściwości

mechanicznych, termicznych, optycznych, po-

wierzchniowych bądź biologicznych. Uzyskiwane

znacznie lepsze właściwości nanokompozytów uza-

leŜnione są przede wszystkim od: kształtu i rozmiaru

cząstek nanododatku, powierzchni właściwej,

stopnia rozwinięcia powierzchni, energii powierz-

chniowej oraz od sposobu przestrzennego roz-

mieszczenia nanocząstek w matrycy polimerowej.

Ogólnie nanododatki moŜemy podzielić na:

• metale i związki metali,

• fulereny, nanorurki węglowe,

• ceramikę (krzemionka, hydroksyapatyt, krze-

miany warstwowe).

Rys. 1. Schemat lokalnej terapii magnetycznej [13]

Do nanocząstek ferromagnetyku dołącza się lek

i wprowadza taki kompleks w określone miejsce

organizmu człowieka przy uŜyciu gradientu pola

magnetycznego (rysunek 1). Następnie cząstki

magnetyczne połączone z lekiem utrzymuje się

w chorobowo zmienionych tkankach za pomocą pola

magnetycznego, aŜ do całkowitego uwolnienia leku,

po czym cząstki te są usuwane z organizmu pacjenta

równieŜ za pomocą gradientu pola magnetycznego.

Metale i zwi ą zki metali

◦ substancje wykorzystywane w separacji immu-

nologicznej [14]

Wprowadzenie nanododatku metalu bądź jego

związku (np. tlenku) do matrycy polimerowej ma na

celu uzyskanie przede wszystkim odpowiednich

właściwości elektrycznych, m.in. przewodzących,

półprzewodzących, antystatycznych. Do najczęściej

stosowanych metali w nanokompozytach poli-

merowych naleŜą srebro, złoto i miedź. Natomiast

wśród związków metali naleŜy wymienić tlenki

Ŝelaza (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) o właściwościach ferromag-

netycznych lub ditlenek tytanu (IV), którego

obecność w nanokompozycie powoduje zmianę

właściwości optycznych w porównaniu z odpowied-

nimi właściwościami polimeru.

W zastosowaniach medycznych największe

znaczenie spośród metali obecnie mają nanocząstki

srebra, które nadają kompozytom z ich udziałem

właściwości antybakteryjne [7 - 11], co pozwala na

wykorzystanie tych nanokompozytów m.in. na ma-

teriały opatrunkowe. Wiele ośrodków badawczych

prowadzi równieŜ prace nad wykorzystaniem nano-

cząstek ferromagnetycznych w róŜnych dziedzinach

medycyny. Stosowane są one między innymi jako:

◦ substancje słuŜące do transportu leków na

zasadzie lokalnej terapii magnetycznej [12]

Proces separacji immunologicznej oparty jest na

wiązaniu szkodliwych biomolekuł lub ksenobiotyków

przez inne organiczne biomolekuły, połączone z

nanocząstkami ferromagnetycznymi.

◦ substancje słuŜące do diagnozowania i leczenia

nowotworów przy uŜyciu hipertermii magnetycznej

[15, 16]

Metoda ta polega na wykorzystaniu wraŜliwości

komórek nowotworowych na podwyŜszoną tem-

peraturę, w wyniku czego wprowadzone do nowo-

tworu cząstki magnetyczne poddane działaniu

zmiennego pola magnetycznego nagrzewają się do

temperatury 43-47°C, co powoduje zmniejszenie

aktywności metabolicznej nowotworu.

◦ substancje wykorzystywane do wzmocnienia

kontrastu w obrazowaniu tkanek za pomocą rezo-

nansu magnetycznego (MRI) [17, 18]

Wprowadzenie nanocząstek magnetycznych do

badanej tkanki powoduje wzrost szybkości relaksacji

protonów w tych obszarach, co z kolei prowadzi do

poprawy kontrastu między poszczególnymi

obszarami, a w szczególności daje moŜliwość

Techniczne Wyroby Włókiennicze 2008

Rys. 2. Budowa przestrzenna fulerenu C 60 i C 70 [20]

rozróŜnienia obszaru patologicznego od zdrowej

tkanki.

Fulereny i nanorurki w ę glowe

Do najbardziej rozpowszechnionych form węgla

stosowanych w postaci nanododatków naleŜą przede

wszystkim fulereny oraz nanorurki węglowe.

Fulereny są to cząsteczki chemiczne składające się

z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla,

o zamkniętej budowie klatkowej. Powierzchnie

fulerenów tworzą układy sprzęŜonych pierścieni

składających się z pięciu i sześciu atomów węgla.

Istnieje cała rodzina fulerenów. Najpopularniejszymi

odmianami fulerenów są C 60 oraz C 70 , czyli

cząsteczki zawierające odpowiednio 60 i 70 atomów

węgla (rysunek 2) [19].

Fulereny, poddane modyfikacji róŜnymi związ-

kami, np. modyfikacji powierzchniowej bądź za-

wierające wewnątrz klatki inne atomy lub cząsteczki,

znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki.

Na bazie fulerenów uzyskano m.in. materiały

smarujące, włókna wysokowytrzymałe, membrany

molekularne czy nanowarstwy. Właściwości ele-

ktryczne i optyczne fulerenów wykorzystano do

budowy czujników akustycznych, półprzewodników,

nieliniowych urządzeń optycznych, nadprze-

wodników, przetworników elektrooptycznych oraz

baterii wysokoenergetycznych. Natomiast właści-

wości chemiczne fulerenów pozwoliły na skonstru-

owanie kontenerów cząsteczkowych, nanokataliza-

torów, reagentów organicznych czy preparatów

farmaceutycznych [1].

Drugą najbardziej rozpowszechnioną w nano-

technologii formę węgla stanowią nanorurki

węglowe (rysunek 3).

Badania właściwości nanorurek węglowych wy-

kazały, Ŝe ich dodatek do matrycy polimerowej

powoduje, iŜ kompozyty takie mogą się stać prze-

wodnikami elektrycznymi. Dzięki temu moŜna

Rys. 3. Struktura przestrzenna nanorurki węglowej wielościennej

[21]

wyeliminować zjawisko gromadzenia się ładunków

elektrostatycznych. Nanorurki dodawano do takich

polimerów, jak: poliestry, poliwęglany czy poliamidy

[19]. Na bazie włókien prekursorowych z paków

udało się uzyskać włókna węglowe zawierające na-

norurki [1]. Uzyskane włókna zawierające 5%wag.

nanorurek węglowych charakteryzowały się 90%

wzrostem wytrzymałości na rozciąganie, 150%

wzrostem modułu Younga i 340% wzrostem prze-

wodnictwa elektrycznego. Ponadto nanorurki wę-

glowe znalazły zastosowanie w wytwarzaniu senso-

rów chemicznych [22], materiałów wykorzystujących

zjawisko emisji polowej [23], podłoŜy katalitycznych

[24], urządzeń elektrycznych [25], nanoszczypy

[26], superkondensatorów [27].

Nanododatki ceramiczne

Najczęściej stosowaną do otrzymywania nano-

kompozytów polimerowych grupę nanododatków

Techniczne Wyroby Włókiennicze 2008

Rys. 4. Struktura krzemianów trójwarstwowych 2:1 [28]

Tabela 2. Wzory chemiczne i charakterystyczne parametry zwykle

stosowanych krzemianów trójwarstwowych 2:1 [28]

Do wytwarzania nanokompozytów polimerowych

są stosowane najczęściej takie polimery ter-

moplastyczne, jak poliolefiny, poliamidy (głównie

PA6) i polistyren. Przy małej zawartości nanonapeł-

niacza osiąga się znacznie lepsze właściwości niŜ

w konwencjonalnych kompozytach, gdzie cząstki

napełniacza są rozproszone w matrycy polimerowej,

np. dwufazowe kompozyty typu PA6/MMT

charakteryzuje znaczny wzrost modułu spręŜystości i

zwiększone wartości napręŜenia zrywającego [29].

Ponadto stosowany glinokrzemian warstwowy

podczas kontaktu z płomieniem nie powoduje

wzrostu wytwarzanych ilości tlenku węgla i dymu.

W wyniku spalania tworzywa na powierzchni

palącego się nanokompozytu tworzy się warstewka

zwęgliny, która odcina dostęp tlenu do matrycy

polimerowej. Zmniejsza się tym samym palność

tworzywa oraz wzrasta odporność termiczna [29].

Jako tworzywa termoutwardzalne do wytwarzania

nanokompozytów z udziałem montmorylonitu

stosuje się najczęściej Ŝywice epoksydowe, poliure-

tany, polisiloksany i nienasycone Ŝywice poliestrowe.

Wprowadzenie niewielkich ilości napełniacza

polepsza szereg właściwości tworzywa, takich jak:

wytrzymałość na rozerwanie, wytrzymałość na

ściskanie, współczynnik rozszerzalności cieplnej,

odporność chemiczna [29].

Drugim po krzemianach warstwowych najczęściej

stosowanym nanododatkiem ceramicznym jest

krzemionka, czyli tlenek krzemu (IV), tworzący

rozbudowane struktury przestrzenne. Do otrzymy-

wania nanokompozytów z udziałem krzemionki

stosuje się dwie główne metody: „in situ” w trakcie

otrzymywania kompozytu oraz w wyniku procesu

mieszania z polimerem specjalnych gatunków

krzemionek w wytłaczarce [3]. W przypadku

pierwszej z metod otrzymywano m.in. nanokompo-

zyty z udziałem poliamidu 6 [30] oraz polistyrenu

[31]. Otrzymane w ten sposób nanokompozyty

charakteryzowały się polepszonymi właściwościami

mechanicznymi, podwyŜszoną odpornością termi-

czną oraz zmniejszoną palnością. Natomiast przy-

kładem nanokompozytu otrzymanego drugą metodą

moŜe być mieszanie izotaktycznego polipropylenu

oraz szczepionej polistyrenem krzemionki.

W wyniku tak wprowadzonej do kompozytu krze-

mionki otrzymano wzrost napręŜenia zrywającego,

wzrost temperatury mięknienia oraz zwiększenie

udarności kompozytu.

W zastosowaniach medycznych największe zna-

czenie mają róŜnego rodzaju bioaktywne szkła oraz

kompozyty typu szkło – ceramika. Uwarunkowane

jest to szczególną rolą, jaką odgrywa krzem w two-

rzeniu się struktur kości, procesu ich wapnienia

i regeneracji po złamaniach [32]. Obecnie szkła

i kompozyty tego rodzaju wykorzystuje się m.in.

w leczeniu ubytków kostnych kości biodrowej, o-

kolicy stawu kolanowego oraz kręgosłupa [33 - 38].

Rodzaj

krzemianu

warstwowego

2:1

Wzór chemiczny

Rozmiar

cząstek [nm]

Montmorylonit

M x (Al 4-x Mg x )Si 8 O 20 (OH) 4

100-150

Hektorit

M x (Mg 6-x Li x )Si 8 O 20 (OH) 4

200-300

Saponit

M x Mg 6 (Si 8-x Al x )Si 8 O 20 (OH) 4

50-60

*M – jednowartościowy kation; x – stopień podstawienia (0,5-1,3)

ceramicznych stanowią krzemiany warstwowe, a

w szczególności montmorylonit (MMT), hektorit,

saponit. Są one zbudowane z pakietów trójwar-

stwowych 2:1 zawierających jedną warstwę okta-

edryczną, umieszczoną pomiędzy dwiema warstwa-

mi tetraedrycznymi (rysunek 4). Ich wzory che-

miczne oraz podstawowe parametry są przedsta-

wione w tabeli 2 [28]. Warstwa oktaedryczna jest

zbudowana z tlenku glinu lub magnezu i połączona z

dwiema zewnętrznymi, krzemowymi warstwami

(tetraedrycznymi) poprzez wspólne atomy tlenu.

W celu nadania powierzchni MMT organofilo-

wego charakteru i zwiększenia jego powinowactwa

do substancji organicznych prowadzi się wymianę

kationów metali na większe kationy, np. alkilo-

amoniowe. Dodatkowo, w wyniku wymiany katio-

nów dochodzi do zwiększenia odległości między

warstwami z około 1 nm dla naturalnego MMT do

2-3 nm w przypadku modyfikowanego związkami

organicznymi [28].

Polimery, do których wprowadzono MMT w celu

polepszenia niektórych właściwości bądź nawet

nadania kompozytom nowych cech, są opisane

w literaturze bardzo szeroko i dotyczą zarówno po-

limerów termoplastycznych, jak i termoutwardzal-

nych [29].

Techniczne Wyroby Włókiennicze 2008

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: