Kompozitní nanomateriály Kompozity vyztužené nanovlákennými materiály. Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Transkript

1 Kompozitní nanomateriály Kompozity vyztužené nanovlákennými materiály Eva Košťáková KNT, FT, TUL

2 Přibližování vzorku uhlíkových nanotrubic v rastrovacím elektronovém mikroskopu (30x x zvětšení

3 Kompozitní materiály Definice: Jakýkoli materiál, který není čistá látka a obsahuje více než jednu složku, může být teoreticky klasifikován jako kompozitní materiál. Ale odlišení kompozitního materiálu od běžné heterogenní materiálové směsi je tzv. synergický efekt. Synergický efekt nám říká, že kombinací materiálů je nutné získat nové, odlišné vlastnosti, než poskytují samotné materiály nebo lepší vlastnosti než je jen prostý součet vlastností materiálů z nichž se kompozitní materiál skládá. Synergický účinek je tedy objektivní charakteristika, kterou se kompozitní materiály odlišují od ostatních. (Synergický efekt v objemné netkané textilii, ve směsi vláken a vzduchu, může být ukázán na příkladu termoizolačních vlastností, které přináší právě propojení vlákenného materiálu a vzduchu). Za nejobecnější definici lze považovat tuto definici: ( i ) Kompozitní materiály se skládají nejméně ze dvou konstituentů z nichž alespoň jeden je tuhý a ( ii ) jejich vlastnosti se odlišují od vlastností původních konstituentů a vlastností získaných pouze jejich adicí.

4 Do skupiny kompozitních materiálů patří i přírodní kompozity, jako jsou dřevo, kosti, peří, bambus (tzv. skleněné vlákno přírody), svaly, tkáně atd. V přírodě lze totiž nalézt výhradně materiály na kompozitním principu, čisté, bezdefektní a homogenní materiály se vyskytují velice zřídka. Mikroskopický snímek kosti s viditelnými kolagenovými vlákny, které fungují jako výztuž. Převzato z [

5 Umělými kompozitními materiály jsou například betony a lamináty. Scanning electron microscopic view on a fracture surface of Ceramic matrix composites, C/SiC (Carbon fiber reinforced silicon carbide ). Člověk nevědomky vyráběl kompozitní materiály velmi dávno. Ve starém zákoně je popsána výroba sušených cihel, které byly vyráběny z jílu promíseného se sušenou slámou. Vlákna slámy zabraňovala křehkému lomu cihel a odváděla vlhkost zevnitř.

6 Nanokompozity jsou materiály, v nichž výztuží respektive jedním z konstituentů jsou právě nanočástice (nanovlákna - nanotrubice, nanoprášky atd.). Nanokompozitní materiály Nanokompozity jsou materialy, kde jsou vkládány nanočástice (označované obvykle jako plnivo či výztuž) do maoskopického materiálu (většinou spojitého, označovaného jako matrice). Nanocomposites are materials that are created by introducing nanoparticulates (often referred to as filler) into a macroscopic sample material (often referred to as the matrix).

7 Preparation of polymer matrix nanocomposites Míchání do taveniny matrix: in melt state In situ polymerizace matrix: monomer state Použití rozpouštědla matrix: solved

8 A) Kompozitní materiály vyztužené uhlíkovými nanotrubicemi Nanokompozitní materiály B) Kompozitní elektrostaticky zvlákněná nanovlákna C) Kompozitní materiály vyztužené elektrostaticky zvlákněnými nanovlákny

9 Kompozity s uhlíkovými nanotrubicemi CNTs (jak MWNTs tak SWNTs) se uplatňují v kompozitních materiálech díky svým výjimečným vlastnostem: - vysoké pevnosti - vysoké elektrické vodivosti - vysoká tepelná odolnost - vysoká chemická odolnost - vysoké ohebnosti (odolnosti v ohybu) - relativně nízké hustotě (relativně nízké hmotnosti) - atd. Matrice vhodné k použití: Polypropylen; polystyren; polykarbonát; polyimid, fenolová pryskyřice, epoxidová pryskyřice, silikon atd. Obvyklý přídavek CNTs od 0,1hm% do 5hm% -!!!cena CNTs

10 From left to right, an untreated sample of polymer material, the new nano-composite, and a scanning electron microscopy image showing the nanotubes dispersed in the polymer resin.

11 Nejdůležitější podmínka řádně rozdispergované nanotrubice = zabránění vzniku shluků a nebo jejich vhodné rozbití ojednocení CNTs - Vhodné rozpouštědlo (např. organická rozpouštědla) -Rozmíchávání mechanické např. hmoždíř - ULTRAZVUK (nejvhodnější pro průmyslovou výrobu) vhodný jen pro některé kapaliny=matrice

12 Kompozity s uhlíkovými nanotrubicemi jako sekundární výztuží (primární výztuží jsou klasická vlákna) Nejprve je pryskyřice smíchána z nanotrubicemi rovnoměrně rozdispergované v objemu matrice. Vlákenná výztuž (např. uhlíková vlákna m) jsou prosycena již kompozitní matricí.

13 Zlepšení mechanických vlastností (pevnost, odolnost v ohybu, odolnost v tlaku), zlepšení teplotní odolnosti, zvýšení odolnosti proti vzniku, šíření trhlin a delaminaci v kompozitním materiálu.

14 Klasické kompozitní materiály s vlákennou (uhlíkovou) výztuží

15 Hibryd nanocomposites (shaft) The New Prototype Comp NT combines revolutionary carbon nanotubes into the resin system of the shaft to dramatically improve the strength properties.

16 Hibryd nanocomposites HeadSize 676 cm Weight 265 g (conventional: g) Composition Graphite/ Carbon Nanotube

17 Hibryd nanocomposites The weight of the frame of the bycicle is less than? g and has excellent stiffness and strength.

18 Kompozity vyztužené elektrostaticky zvlákněnými nanovlákny Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna z PA6 v kompozitním materiálu 5hm% přídavek nanovláken do kompozitu zlepšil ohebnost materiálu o 36% a elastický modul o 26%.

19 Kompozity vyztužené elektrostaticky zvlákněnými nanovlákny Kompozitní materiály jsou transparentní!

20 Kompozity vyztužené elektrostaticky zvlákněnými nanovlákny!!! Problém dostatečné mechanické vlastnosti elektrostaticky zvlákněných nanovlákenných vrstev. Není příliš používáno! Nejpoužívanější polymery: Polyakrylonitril Polyamid 6 a polyamid 4,6 Polybenzimidazol Zvýšení mechanických vlastností a chemické odolnosti.

21 Kompozitní nanovlákna Electrostaticky zvlákněná nanovlákna z polymerního roztoku obsahujícího uhlíkové nanotrubice = kompozitní nanovlákna. Nejdůležitější (zejména pro Nanospider) je dokonalené ojednocení či rozbití shluků uhlíkových nanotrubic v ROZPOUŠTĚDLE před smícháním s polymerem či koncentrovanějším polymerním roztokem. Míchání rozdispergování se děje opět nejlépe pomocí ULTRAZVUKU. The same drop with 1wt% MWNTs before (left side) and after (right side) US treatment.

22 Míchání rozdispergování se děje opět nejlépe pomocí ULTRAZVUKU. Without US treatment 250mA 50V 24kHz 15s 250mA 50V 24kHz 30s 250mA 50V 24kHz 60s 250mA 50V 24kHz 90s 250mA 50V 24kHz 120s 250mA 50V 24kHz 180s 250mA 50V 24kHz 300s An illustration of darkness change by different activity times.

23 Přídavek CNTs 0,01hm% -20hm%. Zvýšení pevnosti elektrostaticky zvlákněných nanovláken. Zvýšení tepelné odolnosti. Zvýšení elektrické vodivosti. Atd. TEM snímky! PA 6/MWNTs

24

25

26 RIZIKA NANOMATERIÁLŮ Hlavní problém nanočástice jsou daleko menší než buňky. Z minulosti problémy s ultrajemnými částicemi a) Vedlejší produkty spalování (obecně netoxické materiály = ultrajemné částice problémy) b) Azbestová vlákna vlákna průměru menšího než 3mikrometry = výborné aerodynamické vlastnosti; vlákna délky větší než 15 mikrometrů nemohou být zlikvidovány makrofágy (buňkami imunitního systému)

27 Toxicita ultrajemných částic i nanočástic závisí hlavně na: A)Počtu (celkové ploše povrchu) nanočástic v těle B)Chemické reaktivitě nanočástic

28 Nanočástice mohou vnikat do organismu skrz: PLÍCE (krevní oběh mozek) KŮŽI (lymfatický systém) OČI, NOS (mozek) TRÁVÍCÍ TRAKT (krevní oběh) Mechanismy ochrany v dýchací soustavě jsou překonány částicemi cca 10-20nm projdou až k plicním sklípkům. Částice 5-10nm projdou z plic až do krve. Kůže opalovací krémy oxid titaničitý (cca 100nm) NE zdravou pokožkou Nos, oči místo kde cítíme pachy je vzdáleno od možku jen 2mm

29 Snímek dokazující, že uhlíková nanotrubice je schopna procházet do lidské buňky.

30 Nanočástice reakce organismu - Prokázáno, že fullereny reagují s DNA (kyselinou nukleovou) - vede k poruše vnitřní signalizace buňky chová se jako zanícená -Nanočásti ce se přiblíží k proteinu (v. d. Wallsovy síly) obnaží se část proteinu, která byla do teď organismu ukryta a nastává autoimunitní reakce.

31 PROČ SE OBÁVAT PROČ SE NEOBÁVAT -Vysoká mobilita nanočástic -Chybí spolehlivé mechanismy detekce -Vlastnosti nanomateriálů se velmi těžko předvídají -Nejsou dlouhodobé zkušenosti -Stabilita v roztocích -Vysoká ochota a tendence k agregaci - slukování Společenské aspekty nanotechnologií Postoj veřejnosti je nejistý př. geneticky modifikované výrobky

32 PRAVDA Neexistují jednoznačné normy či standardy jak nové nanomateiály na zdravotní rizika TESTOVAT! Záleží na každém jak se bude informovat a chránit! Netýká se to jen nanotrubic ale i elektrostaticky zvlákněných nanovláken pokud: - Nejsou vyrobena z materiálů, které jsou biodegradabilní v plicní tekutině -Jsou křehká a vlákenná vrtva se rozpadá, láme, oddělují se části vláken atd.

33 RIZIKA PŘI ELEKTROSTATICKÉM ZVLÁKŇOVÁNÍ Toxická rozpouštědla! Dimetylformamid, dichlormetan, dichloretan, chloroform,