Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2.5. Μαγνητικά νανοσύνθετα πολυμερή, Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
Περιεχόμενα Εισαγωγή στα πολυμερή... 2 Ορισμός... 2 Ιστορία πολυμερών... 2 Ορισμοί... 3 Κωδικοί ανακύκλωσης πολυμερών... 4 Εφαρμογές των Πολυμερών... 6 Ονοματολογία πολυμερών... 7 1- Ονοματολογία βασισμένη στην προέλευση των μονομερών... 7 2- Ονοματολογία βασισμένη στη δομή του πολυμερούς... 7 Τύποι συνθετικών και φυσικών πολυμερών... 8 Κατηγοριοποίηση πολυμερών... 8 Ιδιότητες Πολυμερών... 14 Μορφολογία πολυμερών.... 18 Κρυσταλλικότητα... 19 Νανοτεχνολογία Πολυμερών... 20 Νανοσύνθετα υλικά... 20 Γενικές ιδιότητες νανοσύνθετων υλικών... 20 Μέθοδοι παρασκευής νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών... 21 Βιβλιογραφία... 22 1
Εισαγωγή στα πολυμερή Ορισμός Ο όρος πολυμερές προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις: πολύ+ μέρος (μονάδα) δηλαδή πολλές μονάδες Τα πολυμερή είναι μια μεγάλη κατηγορία υλικών που αποτελούνται από πολλά μικρά μόρια (ονομάζονται μονομερή) τα οποία ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μεγάλες αλυσίδες, οι οποίες είναι γνωστές ως μακρομόρια (όρος που εισήχθη από τον H. Staudinger in 1920 s). Τα τυπικά πολυμερή συνήθως περικλείουν χιλιάδες μονομερή. Εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους τους, τα πολυμερή ανήκουν στην κατηγορία των μακρομορίων. Όμως, προσοχή, καθώς δεν είναι όλα τα μακρομόρια πολυμερή, επειδή δεν αποτελούνται όλα τους από όμοια μόρια π.χ. τα λιπίδια Στη φύση τα πολυμερή συναντώνται υπό μορφή πρωτεϊνών, σελουλόζη (φυτά), άμυλο (φαγητά), βαμβάκι, μαλλί, δέρμα, μετάξυ και φυσικό καουτσούκ. Αντίθετα τα βιομηχανικά πολυμερή, χρησιμοποιούν συνήθως συνθετικά πολυμερή. Ιστορία πολυμερών Τα πολυμερή και οι κατασκευές από πολυμερικά υλικά συναντώνται από τα αρχαία χρόνια, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 που παρουσιάζεται μια γέφυρα από σχοινιά και ξύλα καθώς και η σύγχρονη έκδοσή της με πολυμερικά και άλλα υλικά 2
Σχήμα 1: κατασκευή γέφυρας με χρήση φυσικών πολυμερών και σύγχρονη έκδοσή της με χρήση βιομηχανικών σύνθετων πολυμερών Επίσης έχουμε αναφορές για μπάλες από καουτσούκ που έφτιαχναν οι Ίνκας καθώς και για χρήση πίσσας (που είναι ένα φυσικό πολυμερές) από τον Νώε κατά την κατασκευή της Κιβωτού. Πριν προχωρήσουμε παρακάτω θα δώσουμε μερικούς βασικούς ορισμούς για την επιστήμη των πολυμερών. Ορισμοί Πολυμερές Μεγάλο μόριο που αποτελείται από έναν αριθμό επαναλαμβανόμενων μονάδων με μοριακό βάρος μερικών χιλιάδων Επαναλαμβανόμενη μονάδα Η θεμελιώδης επαναλαμβανόμενη μονάδα του πολυμερούς Μονομερές Το μικρότερο μόριο το οποίο χρησιμοποιείται για να φτιαχτεί το πολυμερές Ολιγομερές Ένα μόριο που αποτελείται από αντίδραση αρκετών επαναλαμβανομένων μονάδων ενός μονομερούς αλλά όχι αρκετά μεγάλο για να θεωρηθεί ότι είναι ένα πολυμερές Μοναδιαία επαναλαμβανόμενη μονάδα: ΜΟΝΟΜΕΡΕΣ 3
Πολλές επαναλαμβανόμενες μονάδες: ΠΟΛΥΜΕΡΕΣ Βαθμός Πολυμερισμού Ο αριθμός των επαναλαμβανόμενων μονάδων Εφαρμογές πολυμερών Τα συνθετικά πολυμερή καθώς και τα πλαστικά αποτελούν σήμερα δύο από τους ραγδαία αναπτυσσόμενους τομείς των υλικών. Το ενδιαφέρον για τα βιομηχανικά πολυμερή είναι έντονο λόγω της δυνατότητα ανακύκλωσής τους, των μηχανικών τους ιδιοτήτων καθώς του χαμηλότερου κόστους σε σύγκριση με πολλά κράματα και κεραμικά. Επίσης, το γεγονός ότι τα συνθετικά πολυμερή έχουν μακρομοριακή δομή παρέχει καλή βιοσυμβατότητα και τους επιτρέπει να εκτελούν πολλές βιομιμητικές εργασίες που δεν μπορούν να εκτελεστούν από άλλα συνθετικά υλικά. Τέτοιες εργασίες είναι η παράδοση του φαρμάκου, η χρήση ως μοσχεύματα για τις αρτηρίες και τις φλέβες και η χρήση σε τεχνητούς τένοντες, συνδέσμους και αρθρώσεις. Κωδικοί ανακύκλωσης πολυμερών Στην προσπάθεια ευκολότερης κατανόησης των πολυμερών που χρησιιμοποιούνται για οικιακή χρήση ακολουθούνται οι παρακάτω συμβολισμοί και ονοματολογίες 4
Σχήμα 2. Συμβολισμοί ονοματολογίες και χρήσεις πολυμερικών υλικών. Στις συσκευασίες πολυμερικών υλικών για οικιακή χρήση σε αντιστοίχιση με τους παραπάνω κωδικούς παρουσιάζονται παρακάτω. Σχήμα 3: Συμβολισμοί και χρήσεις πολυμερών «οικιακής» χρήσεως. 5
Εφαρμογές των Πολυμερών Όπως φαίνεται στα διαγράμματα του σχήματος 4 η κύρια χρήση των πολυμερών αφορά τη τεχνολογία συσκευασίας τροφίμων και σε ένα μικρότερο μέρος τον κατασκευαστικό τομέα. Από εκεί και πέρα σε πολύ μικρότερο ποσοστό χρησιμοποιούνταν στον τομέα των ηλεκτρονικών της επιπλοποιίας κλπ. Τα τελευταία χρόνια με την είσοδο των οργανικών ηλεκτρονικών η κατάσταση έχει αλλάξει δραματικά και η χρήση τους στον τομέα της ηλεκτρονικής αναπτύσσεται ραγδαία, τόσο για την κατασκευή οθονών OLED όσο και για οργανικά φωτοβολταϊκά. Σχήμα 4: Ποσοστιαία αναλογία χρήσης πολυμερών σε διάφορες εφαρμογές. 6
Ονοματολογία πολυμερών Παρακάτω θα αναφερθούμε στην ονοματολογία των πολυμερών. Διακρίνουμε δύο βασικούς τρόπους ονοματολογίας 1- Ονοματολογία βασισμένη στην προέλευση των μονομερών 2- Ονοματολογία βασισμένη στη δομή του πολυμερούς 1- Ονοματολογία βασισμένη στην προέλευση των μονομερών Το επιπρόσθετο πολυμερές, συνήθως ονομάζεται με βάση το όνομα του μονομερούς που το συνθέτει. Παράδειγμα: poly( vinyl chloride ) PVC είναι φτιαγμένο από vinyl chloride -CH 2 -CH(Cl)- Poly-X Εάν X είναι απλή λέξη τότε το όνομα του πολυμερούς γράφεται κατευθείαν πχ. polystyrene -CH 2 -CH(Ph)- Εάν το X αποτελείται από δύο ή περισσότερες λέξεις, χρησιμοποιούνται παρενθέσεις πχ, poly (vinyl acetate ) -CH 2 -CH(OCOCH 3 )- 2- Ονοματολογία βασισμένη στη δομή του πολυμερούς Είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος για πολυμερή συμπύκνωσης επειδή το πολυμερές περιέχει διαφορετικές λειτουργικές ομάδες από το μονομερές PC = Polycarbonat PPE = Polyphenylether SMA = Styrol-Maleinsäureanhydrid ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol PMMA = Polymethylmethacrylat PS = Polystyrol SAN = Styrol-Acrylnitril-Copolymere PVC = Polyvinylchlorid PET = Polyethylenterephthalat (PETP) PBT = Polybutylenterephthalat (PBTP) PA = Polyamid 7
POM = Polyoxymethylen RF-PP = Resorcin-Formaldehyd-Polypropylen PE-UHMW = Polyethylen-ultra high molecular weight PP = Polypropylen PE-HD = Polyethylen hoher Dichte (High Density) PE-LD = Polyethylen niedriger Dichte (Low Density Τύποι συνθετικών και φυσικών πολυμερών Τα πολυμερικά υλικά διακρίνονται όπως είπαμε παραπάνω σε φυσικά και συνθετικά. Αυτά αποτελούνται από επιμέρους κατηγορίες. Τα μεν συνθετικά χωρίζονται σε ίνες, Πλαστικά και Λάστιχα, ενώ τα φυσικά πολυμερή χωρίζονται σε δομικά και λειτουργικά. Στο σχήμα 4 παρουσιάζονται οι επιμέρους κατηγορίες. Σχήμα 4: Γενικές κατηγορίες πολυμερικών υλικών Κατηγοριοποίηση πολυμερών Η κατηγοριοποίηση των πολυμερών γίνεται βάση: προέλευσης σύνθεσης Μονομερούς δομή αλυσίδας θερμική συμπεριφορά 8
μηχανισμούς κίνησης εφαρμογής παρακάτω θα δούμε τις επιμέρους κατηγοριοποιήσεις A. Κατηγοριοποίηση βάση προέλευσης Συνθετικά οργανικά πολυμερή Βιοπολυμερή (πρωτείνες, πολυπεπτίδια, πολυνουκλεοτίδια, πολυσακχαρίτες, φυσικά λάστιχα) Ημισυνθετικά πολυμερή (χημικώς τροποποιημένα συνθετικά πολυμερή) Ανόργανα πολυμερή (siloxanes, silanes, phosphazenes) B. Κατηγοριοποίηση με βάση τη σύνθεση του Μονομερούς Ομοπολυμερή Συμπολυμερή Μπλοκ Εμβολιασμού Εναλλασσόμενα Τυχαίας δομής Ομοπολυμερή Αποτελούνται από ένα τύπο επαναλαμβανόμενης μονάδας (Χ) ΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧΧ Σχήμα 5: Ομοπολυμερές 9
Γ. Κατηγοριοποίηση με βάση τη δομή της αλυσίδας Γραμμικών αλυσίδων (linear):πολυμερή που αποτελούνται από μία συνεχή αλυσίδα με επαναλαμβανόμενες μονάδες Διακλαδωμένων αλυσίδων: πολυμερή που περιλαμβάνουν και πλευρικές αλυσίδες που ενώνονται με τις αλυσίδες διπλανών πολυμερών Υπερ-διακλαδωμένων αλυσίδων: Πολυμερή που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες συμπεριλαμβανομένων και τον διακλαδωμένων αλυσίδων Διασταυρούμενα πολυμερή (cross linked):πολυμερή που περιλαμβάνουν ενδοσυνδέσεις μεταξύ των αλυσίδων τους Δικτυωμένα πολυμερή:διασταυρωμένα πολυμερή που έχουν μεγάλο αριθμό ενδοσυνδέσεων μεταξύ των αλυσίδων τους Σχήμα 6: Μοριακή αρχιτεκτονική πολυμερών και συσχέτιση με ισχύ αλυσίδων Γραμμικά πολυμερή Είναι πολυμερή στα οποία οι μονομερείς μονάδες είναι ενωμένες έτσι ώστε το τέλος της μίας να συνδέεται με την αρχή της άλλης κατά μήκος της αλυσίδας. Αυτοί οι τύποι πολυμερών είναι συνήθως αρκετά ελαστικοί. Οι κύριοι τρόποι αλληλεπίδρασης μεταξύ των αλυσίδων είναι με δεσμούς Van der Waal s και δεσμούς Η Παραδείγματα γραμμικών πολυμερών είναι τα πολυαιθυλένιο, Teflon, PVC, πολυπροπυλένιο 10
Σχήμα 7: Γραμμικά πολυμερή Διακλαδωμένα πολυμερή Οι πολυμερικές αλυσίδες μπορούν να διακλαδωθούν. Οι διακλαδώσεις είναι αποτέλεσμα των πλευρικών αντιδράσεων κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού της κύριας αλυσίδας Τα περισσότερα από τα γραμμικά πολυμερή μπορούν να είναι και διακλαδωμένα Σχήμα 8: Διακλαδωμένα πολυμερή 11
Διασταυρωμένα πολυμερή Στην περίπτωση των διασταυρωμένων πολυμερών, oι γειτονικές πλευρικές αλυσίδες ενώνονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς Η διαδικασία της διασταύρωσης επιτυγχάνεται κατά τη σύνθεση, είτε από μη αντιστρεπτή αντίδραση, που λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία. Τα υλικά αυτά συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από ότι τα γραμμικά πολυμερή Πολλά ελαστικά πολυμερή τα κατασκευάζουμε διασταυρωμένα ώστε να αλλάξουν οι μηχανικές τους ιδιότητες. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται βουλκανισμός Γενικά τα άμορφα πολυμερή είναι αδύναμα και η διασταύρωση τα ισχυροποιεί. Σχήμα 9: Διασταυρωμένα πολυμερή Δικτυωμένα πολυμερή Τα δικτυωμένα πολυμερή σε αντίθεση με τα παραπάνω είναι τρισδιάστατα πολυμερή και όχι δισδιάστατα Υπάρχουν τρία σημεία που ένα μονομερές μπορεί να αντιδράσει, αυτό οδηγεί σε τρισδιάστατη συνδεσιμότητα του κορμού του πολυμερούς Τα πολύ διασταυρωμένα πολυμερή μπορούν να ταξινομηθούν ως δικτυωμένα Παραδείγματα δικτυωμένων πολυμερών είναι τα: εποξειδικά πολυμερή, και τα πολυμερή φαινόλης-φορμαλδεϊδης 12
Σχήμα 10: Δικτυωμένα πολυμερή 13
Ιδιότητες Πολυμερών Τα πολυμερή ανάλογα με τον τύπο ένωσης των αλυσίδων τους παρουσιάζουν και διαφορετικές ιδιότητες. Παρακάτω παρουσιάζουμε τις δύο περιπτώσεις σύνδεσης Σχήμα 11: Αντίδραση στο τράβηγμα του πολυμερούς στην περίπτωση διασταυρωμένων πολυμερών Στα διασταυρωμένα πολυμερή οι δεσμοί κρατούν τις αλυσίδες ενωμένες. Με αποτέλεσμα όταν αυτό «τραβηχτεί» και στη συνέχεια αφεθεί ελεύθερο, αυτό ξαναγυρνά στην αρχική του μορφή. Αντίθετα στην περίπτωση των γραμμικών πολυμερών όπως φαίνεται και από το παρακάτω σχήμα όταν τραβηχτεί το πολυμερές, δεν επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Σχήμα 12: Αντίδραση στο τράβηγμα του πολυμερούς στην περίπτωση γραμμικών πολυμερών 14
15
δ. Κατηγοριοποίηση με βάση τη Θερμική συμπεριφορά Τα πολυμερή μπορούν επίσης να κατηγοριοποιηθούν με βάση την μηχανική τους απόκριση σε αυξημένες θερμοκρασίες ως: Θερμοπλαστικά Θερμοσκληρυνόμενα Ελαστομερή α) Θερμοπλαστικά: Τα θερμοπλαστικά πολυμερή μαλακώνουν όταν θερμαίνονται και σκληραίνουν όταν ψύχονται. Για την κατασκευή τέτοιων υλικών απαιτείται ταυτόχρονη εφαρμογή θερμοκρασίας και πίεσης. Σε μοριακό επίπεδο όταν η θερμοκρασία αυξάνει, οι δυνάμεις που συγκρατούν τους δεσμούς εξασθενούν με αποτέλεσμα η σχετική κίνηση των αλυσίδων να διευκολύνεται όταν εφαρμόζεται μία πίεση. Τα περισσότερα γραμμικά πολυμερή και αυτά που έχουν διασταυρούμενες αλυσίδες είναι θερμοπλαστικά. Τα θερμοπλαστικά είναι πολύ μαλακά και εύπλαστα Τα εμπορικώς διαθέσιμα θερμοπλαστικά είναι τα: Polyvinyl Chloride (PVC) and Polystyrene Polymethyl methacrylate Polystyrene β) Θερμοσκληρυνόμενα: Τα Θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή γίνονται μαλακά κατά τη διάρκεια της πρώτης θέρμανσής τους και στη συνέχεια γίνονται (μόνιμα) σκληρά όταν ψυχθούν. Σε περίπτωση όμως επαναθέρμανσης δεν ξαναγίνονται μαλακά, επομένως δεν μπορούν να αλλάξουν σχήμα ή να τροποποιηθούν ξανά αν αυξηθεί η θερμοκρασία τους. Στα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή κατά τη διάρκεια της πρώτης τους θέρμανσης σχηματίζονται διασταυρούμενοι δεσμοί μεταξύ των αλυσίδων τους. Μόνο θέρμανση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει ρήξη αυτών των δεσμών. Τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή είναι ισχυρότερα, σκληρότερα και πιο εύθραυστα από ότι τα θερμοπλαστικά και έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα διαστάσεων. Λόγω της παραπάνω συμπεριφοράς, xρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές που απαιτούν σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. 16
Τα περισσότερα από τα διασταυρωμένο και δικτυωμένα πολυμερή (βουλκανισμένο καουτσούκ, εποξικά, φαινολες, Πολυεστερικές ρητίνες), είναι θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή. Τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή δεν μπορούν να ανακυκλωθούν δε λιώνουν, χρησιμοποιούνται σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι τα θερμοπλαστικά και πιο αδρανή χημικά. γ) Ελαστομερή ή ελαστικά (elastomers, rubbers): Τα ελαστομερή ή ελαστικά, συναντώνται σε μορφή γραμμικών πολυμερών με διακλαδισμένες αλυσίδες. Είναι υπερελαστικά, δηλαδή κατά τον εφελκυσμό επιδέχονται πολύ μεγάλη επιμήκυνση και κατά την αποφόρτιση ταχύτατη πλήρη επαναφορά. Σε πολλά ελαστομερή η διατήρηση της υπερελαστικής συμπεριφοράς διατηρείται σε ευρεία γκάμα αλλαγών θερμοκρασίας και συνθηκών περιβάλλοντος. Γνωστά ελαστομερή: συνθετικό και φυσικό καουτσούκ, συνθετικό πολυϊσοπρένιο, σιλικόνες, πολυχλωροπρένιο, κλπ. ε. Κατηγοριοποίηση με βάση τον τρόπο ανάπτυξης Η κατηγοριοποίηση των πολυμερών με βάση τον τρόπο που αναπτύσσονται τα κατατάσσει σε δύο κατηγορίες Πολυμερή Βηματικής ανάπτυξη Πολυμερή Ανάπτυξης σε αλυσίδες στ. Κατηγοριοποίηση βάση των εφαρμογών Τέλος τα πολυμερή κατηγοριοποιούνται και βάση των εφαρμογών τους σε Πλαστικά Ίνες Επικαλύψεις Κόλλες 17
Μορφολογία πολυμερών. Τα πολυμερή διακρίνονται σε ημικρυσταλλικά και άμορφα. Επιπλέον τα άμορφα παρουσιάζουν δύο γενικές κατηγορίες τα Γυαλιά και τα Λάστιχα (βλ. σχήμα 13) Σχήμα 13: Ημικρυσταλλική και άμορφη φάση πολυμερών 18
Κρυσταλλικότητα Η κρυσταλλικότητα στα γραμμικά πολυμερή εμφανίζεται ως η επίτευξη μιας διευθέτησης στο χώρο των μονομερών. Η κρυσταλλικότητα επιτυγχάνεται με ψύξη τηγμένου πολυμερούς, εξάτμιση του πολυμερικού διαλύματος, με ανόπτυση-θέρμανση πολυμερούς σε συγκεκριμένη θερμοκρασία καθώς και με απομάκρυνση-τράβηγμα σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της θερμοκρασίας υαλοποίησης Η κρυσταλλικότητα επιφέρει αλλαγές στις ιδιότητες των πολυμερικών υλικών όπως: αύξηση πυκνότητας (εξαιτίας της μορφολογίας τους), αύξηση δυσκαμψίας (εξαιτίας ισχυρών αλληλεπιδράσεων), μείωση διαπερατότητας, αύξηση αντοχής σε χημικά καθώς και αλλαγή της σκληρότητας, επίσης όσο πιο κρυσταλλικά είναι τόσο πιο αδιαφανή παρουσιάζονται λόγω της σκέδασης του φωτός από τους κευσταλλίτες. Θα πρέπει να σημειώσουμε σε αυτό το σημείο ότι τα πολυμερή, σπάνια είναι 100% κρυσταλλικά, διότι υπάρχει δυσκολία να ευθυγραμμιστούν όλες οι αλυσίδες Επομένως ορίζουμε ένα σχετικό μέγεθος προσδιορισμού του βαθμού κρυσταλλικότητας που εκφράζεται ως επί τοις εκατό κρυσταλλικότητα (%κρυσταλλικότητα). Ο βαθμός κρυσταλλικότητας ορίζει τις φυσικές ιδιότητες των πολυμερών καθώς επίσης η επί τοις εκατό κρυσταλλικότητα αυξάνεται κατά τις θερμικές διεργασίες οι οποίες προκαλούν επέκταση των κρυσταλλικών περιοχών. 19
Νανοτεχνολογία Πολυμερών Νανοσύνθετα υλικά Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά ονομάζονται εκείνα στα οποία ως μήτρα χρησιμοποιείται ένα πολυμερές και ως έγκλεισμα κάποιο σωματίδιο το οποίο έχει τουλάχιστον μία διάσταση στην περιοχή των νανομέτρων (1-100nm). Τα νανοσύνθετα αποτελούνται από δύο φάσεις: (πχ μία νανοκρυσταλλική φάση και μία φάση μήτρας). Η φάση μπορεί να είναι ανόργανη-ανόργανη, ανόργανη-οργανική ή οργανική-οργανική. Όταν μιλάμε για Νανοσύνθετο αναφερόμαστε σε σωματίδιο μεγέθους νανομέτρου (πχ μέταλλο, ημιαγωγός, διηλεκτρικό υλικό κλπ) ενσωματωμένο μέσα σε ένα άλλο υλικό μήτρας (κεραμικό, γυαλί, πολυμερές κλπ) Γενικές ιδιότητες νανοσύνθετων υλικών Τα νανοσύνθετα διαφέρουν από τα κλασικά σύνθετα στο μικρότερο μέγεθος των σωματιδίων μέσα στο υλικό της μήτρας. Το μικρό μέγεθος έχει ως αποτέλεσμα: Φυσική ευαισθησία του συμπαγούς υλικού στη μηχανική ενέργεια Υψηλότερη χημική αντιδραστικότητα στα όρια των κοκκων Φυσική ευαισθησία Φαινόμενα μικρού μεγέθους Φαινόμενο Κβαντικού περιορισμού (εγκλεισμού) Χημική αντιδραστικότητα Υψηλότερη απορρόφηση αερίων Αύξηση νανοστοιχειομετρίας Εκ νέου ανάπτυξη Περιστροφή και κατευθυντικότητα νέος σχηματισμός κόκκων Συναρμολόγηση 20
Νανοσύνθετα υλικά μπορούν να σχηματιστούν με ανάμιξη ανόργανων nanoclusters, φουλλερενίων, αργίλων, μετάλλων, οξειδίων ή ημιαγωγών με πολλά οργανικά πολυμερή ή οργανικές και οργανομεταλλικές ενώσεις, βιολογικά μόρια, ένζυμα, και sol-gel πολυμερή Σχήμα 14:Σύνθεση νανοσύνθετων υλικών Μέθοδοι παρασκευής νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για την κατασκευή νανοσύνθετων υλικών. Κύριο ζητούμενο των τεχνικών αυτών είναι η βελτιστοποίηση της διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στην πολυμερική μήτρα, καθώς και η εξάλειψη κατά το δυνατό της συσσωμάτωσης αυτών. Επιπλέον ανάλογα με τις τελικές επιδιωκόμενες ιδιότητες του υλικού είναι επιθυμητός ο προσανατολισμός των εγκλεισμάτων η ακόμα και η ανάπτυξη δεσμών μεταξύ αυτών και της μήτρας (ιδιαίτερα αν το τελικό ζητούμενο είναι η αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων) Τρεις από τις κύριες τεχνικές παρασκευής νανοσύνθετων είναι η τεχνική παρασκευής από διάλυμα, η ανάπτυξη από τήγμα και ο επί τόπου πολυμερισμός. 21
Βιβλιογραφία Callister William, «Επιστήμη και τεχνολογία υλικών», D. 5η έκδοση: (Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α,2004). Βατάλης Αργύρης Σ, «Επιστήμη και τεχνολογία υλικών», 2η έκδοση, (Ζήτη Πελαγία & Σια Ο.Ε, 2009) Δ.Ι. Παντελής, «Μη μεταλλικά τεχνικά υλικά», (Παπασωτηρίου,2008). Ε. Λογκάκης, «Σύνθεση νανο-πολυμερικών υλικών και οι ηλεκτρικές και θερμομηχανικές τους ιδιότητες», Διδακτορική διατριβή (ΕΜΠ 2009) Χ. Πανδης, Ανάπτυξη και μελέτη πολυμερικών υλικών για χρήση σε χημικούς αισθητήρες» Διδακτορική διατριβή (ΕΜΠ 2009) 22