Funktionen und Verarbeitungsmethoden von organischem Nano-Montmorillonit im Bereich der Polymere

Funktionen und Verarbeitungsmethoden von organischem Nano-Montmorillonit im Bereich der Polymere

Einführung in organischen Nano-Montmorillonit

1. Struktur von Montmorillonit
Montmorillonit ist ein natürliches schichtförmiges hydratisiertes Alumosilikat-Mineral. Es hat eine 2:1-Kristallstruktur, die aus zwei Schichten aus Silizium-Sauerstoff-Tetraedern und einer Schicht aus Aluminium-Sauerstoff-Oktaedern besteht. Jede Blattschicht hat eine Dicke von etwa 1 nm, eine Länge und Breite von etwa 100–1000 nm und einen Zwischenschichtabstand von etwa 1–1,5 nm, was sie zu einem natürlichen zweidimensionalen Nanomaterial macht.
Chemische Formel: (Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂Si₄O₁₀₂·nH₂O

2. Anorganischer Montmorillonit (wässriger Bentonit)
Der Hauptbestandteil von Montmorillonit ist das Montmorillonit-Mineral, dessen Gehalt in natürlich abgebauten Erzen im Allgemeinen zwischen 40 % und 65 % liegt. Durch Abbau, Trocknung, Zerkleinerung und Siebung des Roherzes wird ein Montmorillonit-Grundmaterial gewonnen. Dieses wird dann in einer Aufschlämmung dispergiert, gefolgt von Hydrozyklon-Entsandung, Zentrifugalreinigung, Natriummodifizierung, Filtration, Trocknung und Desagglomeration, um hochreinen Montmorillonit (Bentonit) auf Natriumbasis zu erzeugen.
Typischerweise bestehen Montmorillonit-Partikel aus negativ geladenen Silikat-Nanoblättern, die aufgrund elektrostatischer Kräfte zusammengeschichtet sind. Selbst unter vollständig hydratisierten und dispergierten Bedingungen bestehen Montmorillonit-Partikel immer noch aus Dutzenden gestapelten Schichten. Daher kann anorganischer Montmorillonit keine individuelle Nanoblattdispersion in Polymermatrizen erreichen, was zu einer geringen Funktionalität und eingeschränkten Anwendbarkeit führt.

3. Organischer Nano-Montmorillonit
Aufgrund der negativen Ladung auf den Montmorillonit-Kristallschichten können Kationen wie Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ und Na⁺ absorbiert und mit anderen organischen Kationen ausgetauscht werden, was Montmorillonit eine gute Ionenaustauschkapazität verleiht. Durch Kationenaustausch wird Montmorillonit mit häufig verwendeten Interkalationsmodifikatoren für quartäre Ammoniumsalze wie Octadecyltrimethylammoniumchlorid (1831), Octadecyldimethylammoniumchlorid (1827), Hexadecyltrimethylammoniumchlorid (1631), Hexadecylbenzyldimethylammoniumchlorid (1627), Dodecylbenzyldimethylammoniumchlorid (1227) und Distearyldimethylammoniumchlorid interkaliert (2HT-75, SM-95).
Diese Interkalation erhöht den Zwischenschichtabstand auf 2–4 nm, verringert die freie Oberflächenenergie des Materials und verändert die Oberfläche von hydrophil zu hydrophob, was zu organischem Nano-Montmorillonit führt. Dies verbessert die Kompatibilität mit Polymermatrizen und ermöglicht die Bildung neuer Arten von Montmorillonit/Polymer-Nanokompositen, die die mechanischen Eigenschaften, die thermische Stabilität, die Gasbarriereeigenschaften, die antimikrobielle Beständigkeit, die UV-Alterungsbeständigkeit, die Flammhemmung und mehr erheblich verbessern.

4. Funktionelle Rolle von organischem Nano-Montmorillonit in Polymeren
Die Nanostruktur und die morphologischen Eigenschaften von organischem Nano-Montmorillonit unterscheiden sich von anderen zweidimensionalen oder dreidimensionalen anorganischen Nanopartikeln und verleihen Polymer/Montmorillonit-Verbundwerkstoffen dadurch hervorragende mechanische, thermische, funktionelle und andere physikalische Eigenschaften.
Vorhandene praktische Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften von Polymer/Montmorillonit-Nanokompositen deutlich verbessert werden. Beispielsweise erhöhen sich die Zugfestigkeit und die Biegefestigkeit um 20–50 %, der Modul erhöht sich um das 1–2-fache, der Reibungskoeffizient und die Verschleißfestigkeit verbessern sich um das 1-fache, die Wärmeformbeständigkeit steigt bei kristallinen Polymeren (wie PA) um 80–90 °C und bei amorphen Polymeren um 10–30 °C, der Wärmeausdehnungskoeffizient sinkt um etwa 40 %, die Feuchtigkeitsabsorptionsrate nimmt um 50 % ab, die Dimensionsstabilität verbessert sich um 2–5-fach und die Durchlässigkeit für Wasserdampf, O₂, CO₂ und UV-Licht wird auf 1/2–1/5 reduziert.
Während der Verbrennung kommt es zu einer Verkokungsbildung, die die Wärmefreisetzungsrate erheblich verzögert und ein Tropfen der Schmelze verhindert, wodurch die Flammhemmung erheblich verbessert wird. Die Fließfähigkeit der Schmelze erhöht sich, die Formschrumpfung nimmt ab und die Verarbeitbarkeit verbessert sich. Die Dichte des Verbundwerkstoffs ähnelt der des reinen Polymers und ist 20–30 % niedriger als die von mit herkömmlichen anorganischen Füllstoffen modifizierten Polymeren. Auch die Transparenz des Materials wird in unterschiedlichem Maße verbessert.
Daher sind Polymer/Montmorillonit-Nanokomposite zu einer neuen Generation von Verpackungsmaterialien mit hoher Barriere, hochfesten Leichtbaumaterialien, hochflammhemmenden isolierenden Elektromaterialien und ermüdungsbeständigen Hochleistungsmaterialien geworden.

5. Verarbeitungs- und Anwendungsmethoden von organischem Nano-Montmorillonit
Montmorillonit muss zwei Prozesse durchlaufen, um eine nanoskalige Dispersion in Polymeren zu erreichen. Nur wenn die Nanosilikatschichten gründlich und gleichmäßig verteilt sind, kann ihre Wirksamkeit maximiert werden.

Gereinigter Montmorillonit wird durch Interkalationsreaktion in organischen Nano-Montmorillonit umgewandelt.
Der Zwischenschichtabstand von anorganischem Montmorillonit beträgt etwa 1–1,5 nm und seine Schichten werden aufgrund elektrostatischer Kräfte gestapelt, was es unmöglich macht, einzelne Nanoschichten zu dispergieren. Nur durch eine Interkalationsreaktion (die im Allgemeinen 30–40 % Interkalationsmittel erfordert) kann der Zwischenschichtabstand auf 2–4 nm erhöht werden, wodurch es in organischen Nano-Montmorillonit umgewandelt wird, die freie Oberflächenenergie verringert und die Oberfläche von hydrophil zu hydrophob verändert wird, wodurch eine bessere Dispersion in Polymeren ermöglicht wird.

Eingelagerter Montmorillonit muss einer Doppelschneckenscherung unterzogen werden, um eine vollständige nanoskalige Dispersion zu erreichen.
Um eine optimale Dispergierung und Exfoliation von organischem Montmorillonit zu erreichen, wird empfohlen, beim Compoundieren mit Thermoplasten einen gleichläufigen Doppelschneckenextruder oder einen BUSS-Kneter zu verwenden.
Beim Extrusionscompoundieren wird empfohlen, eine Schneckenkonfiguration mit einem hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (>40 L/D) und hochdispersiven Mischelementen zu wählen. Um eine Verdichtung zu vermeiden, ist es am besten, den organischen Montmorillonit über eine seitliche Zuführvorrichtung in das bereits geschmolzene Polymer zuzugeben.
Während der Dispergierung im Doppelschneckenextruder sollte darauf geachtet werden, den organischen Montmorillonit nicht „überzuscheren“, um eine Agglomeration zu vermeiden. Am besten verwenden Sie dispersiv mischende Schneckenelemente. Übermäßige Hitze kann zu Leistungseinbußen und Geruchsbildung führen. Durch Überhitzung kann es außerdem zu Rauchbildung an der Düse kommen, und zu hohe Schergeschwindigkeiten im Extruder können zu erneuter Agglomeration und verminderter Leistung führen.
Um eine bessere Verteilung zu erreichen, wird empfohlen, dass Kabelmaterialhersteller, Hersteller von Barriereverpackungen und Unternehmen für hitzebeständige Modifikationen 30–50 % organische Montmorillonit-Masterbatches zum Mischen mit Kunststoffpellets vorbereiten. Masterbatches können durch erstes internes Mischen und anschließende Doppelschneckendispergierung oder durch seitliche Zufuhrdispergierung unter entsprechender Zugabe von Pfropfverträglichkeitsmitteln und Dispergierhilfsmitteln hergestellt werden.