Nanorrellenos - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Hasta este punto, los rellenos discutidos se utilizan comúnmente en el rango de tamaños de partículas de un micrómetro (10－⁶ m). Extendiéndose al rango submicrónico más pequeño posible (10－⁹ m) de tamaños de partículas, se encuentran las tecnologías agrupadas libremente bajo el término nanorrellenos, que se dispersan en materiales de matriz polimérica para crear nanocompuestos. Estos materiales han atraído gran atención a lo largo de los años y han estimulado un flujo constante de artículos de revistas y literatura académica. En un principio, se podría considerar que los nanorrellenos comprenden esencialmente solo una subcategoría de rellenos poliméricos. Pero, dadas las combinaciones de propiedades completamente nuevas que proporcionan en los nanocompuestos, los nanorrellenos son una categoría distinta e importante de materiales por sí mismos. Solo serán más importantes si las primeras aplicaciones de los nanocompuestos crean las condiciones para la comercialización de la producción a mayor escala. Lejos de ser rellenos a granel extendidos añadidos a cargas elevadas para desplazar la resina, los nanorrellenos son refuerzos funcionales que mejoran las propiedades a cargas bajas. El resultado óptimo de su desarrollo serían los sistemas de resina nanocompuesta que se pueden procesar fácilmente con equipos comunes de composición, extrusión y moldeo. Pero quedan dudas sobre las dificultades con su procesabilidad y economía que realmente permitirían que los nanocompuestos termoplásticos alcancen un uso generalizado.

Las primeras aplicaciones se han realizado principalmente en envases, se espera que los sectores de vehículos de motor y eléctrico / electrónico sean los mayores usuarios de nanocompuestos, dadas las propiedades de ingeniería que pueden proporcionar los nanorrellenos. A medida que el tamaño de las partículas de relleno se reduce a dimensiones submicrónicas, aparecen mejoras de propiedades inusuales y deseables en el compuesto de resina. Aunque se han utilizado como nanorrellenos sílice submicrónica y sulfato de bario, los nanorrellenos a base de arcilla relativamente económicos modificados con un tensioactivo orgánico proporcionan las propiedades más notables debido a sus relaciones de aspecto extremadamente altas (por encima de 1000, en comparación con 100 o menos para los rellenos comunes). Esta alta proporción de partículas de arcilla proporciona una mejor estabilidad dimensional que los microcargas convencionales, así como una mayor rigidez con cargas de relleno más bajas (típicamente menos del 5%), sin pérdidas típicas de resistencia al impacto u otras propiedades deseables. Algunos nanorrellenos mejoran las propiedades de barrera de transmisión de gas, retardancia de llama y disipación de carga eléctrica estática. Y los rellenos de nanopartículas más pequeños no bloquean las frecuencias de la luz visible, lo que permite niveles de translucidez o transparencia que no son posibles con compuestos de resina rellenos estándar de propiedades equivalentes. Las poliolefinas, con sus propiedades bajas, bajo costo y fácil procesamiento, probablemente tengan más que ganar con las adiciones de nanorellenos que los plásticos de ingeniería. El problema principal es que las partículas de nanorrelleno son difíciles de dispersar en el polímero, lo que significa que es difícil crear nanocompuestos que realmente alcancen sus propiedades potenciales o teóricas. Por ejemplo, para que la dispersión óptima cree lo que realmente se puede llamar un nanocompuesto, primero se debe intercalar (o insertar) polímero de matriz entre las capas de estructuras de nanoarcillas en capas, o galerías. Esto requiere la ayuda de un aditivo polar o compatibilizador como PP injertado con anhídrido maleico, por ejemplo. Luego, idealmente, estas capas rotas de plaquetas de nanoarcillas en forma de láminas también deben exfoliarse y dispersarse, física o químicamente, para separarlas y distribuirlas tanto como sea posible como partículas individuales. Estos desafíos son probablemente los obstáculos más discutidos y más problemáticos que impiden la comercialización completa de compuestos nanocompuestos, ya que el área de superficie completa de cada nanoplaqueta o plaqueta separada es lo que crea propiedades óptimas. Mientras tanto, el pequeño tamaño de las partículas de nanorrelleno les permite interactuar con los sistemas biológicos. El nanorrelleno más estudiado y comercializado se basa en la arcilla de montmorillonita (MMT), una abundante arcilla esmectita natural derivada del mineral de bentonita. Los productos de nanoarcillas se modifican típicamente con sales de amonio cuaternario y, por lo tanto, a menudo se denominan "organoarcillas". La dispersión completa de nanoarcillas en el polímero es clave para su eficacia. Por ejemplo, se ha estimado que sólo el 2% de la nanoarcilla de MMT en un compuesto de poliolefina, cuando está bien exfoliado, proporciona las mismas propiedades de refuerzo que un compuesto con un 10% de microtallo. Por tanto, los rellenos de nanoarcillas proporcionan potencialmente un rendimiento económico en forma de propiedades mejoradas; esto es diferente al talco submicrónico, por ejemplo, para el cual los costos requeridos para la reducción de tamaño no dan como resultado mejoras de propiedades suficientemente significativas en el polímero. Las propiedades de los materiales de nanoarcillas / PP ya han permitido que se desarrollen para molduras de carrocería de automóviles de baja expansión térmica y ligeras y películas de embalaje de alta barrera a los gases. Las nanoarcillas son particularmente difíciles o imposibles de dispersar completamente en la matriz durante el procesamiento de la masa fundida. Al igual que con cualquier relleno, sin una dispersión completa, las propiedades prometidas fuera del laboratorio son difíciles de lograr en entornos de procesamiento del mundo real. Algunas empresas han ofrecido rellenos de nanoarcillas en forma de gránulos masterbatch fáciles de manipular. Los nanorrellenos laminados a base de carbono, como el grafeno, también se encuentran en proceso de comercialización. Los grafenos son pilas de plaquetas de 10-100 capas de grafito; Las capas de grafeno exfoliadas crean propiedades similares a las nanoarcillas. Pero las pilas de grafeno tienden a aglomerarse entre sí y, como las nanoarcillas, son difíciles de dispersar en poliolefinas.