Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη ιδιοτήτων καινοτόμων νανοσύνθετων υλικών PS, PE-αργίλων

Abstract

The aim of this study was the synthesis of polystyrene (PS) and low density polyethylene (LDPE) nanocomposites using layered silicates (montmorillonite and laponite) as fillers, with impoved thermal, mechanical, water and gas barrier properties. Polymer layered silicate anocomposites are a new class of materials where at least one component is nano-sized. In the last 15 years, a lot of work has been concerned with nanocomposites based on a polymer matrix and organo-modified silicates. Their preparation is based on the ability of layered silicates to accommodate between clay platelets a large variety of molecules such as solvents, monomers and polymers. An attractive and desired nanocomposite structure includes the optimal dispersion of primary 1nm silicate layers in the polymer matrix in order to obtain an isotropic composite. There are three different ways to synthesize polymer/ clay nanocomposite: a) by solution blending method using the appropriate solvent, b) by polymerizing a monomer in the presence of clay (in situ polymerization) and c) by direct melt intercalation. In the present study the methods of melt mixing and solution blending using the appropriate solvent were used. The effects of synthesis parameters, type of layered silicate, solvent’s polarity, organoclay’s surfactant concentration and organoclay/ polymer ratio on the nanocomposite morphology and thermal, mechanical water and gas barrier properties were systematically investigated. Polystyrene and low density polyethylene are of the most important thermoplastic polymers with numerous applications, because of their excellent properties. The layered silicates used in this work were i) a bentonite (Brand Zenith S&B Co., Athens) from the Greek island of Milos in the Aegean sea, ii) the organo-montmorillonite NANOMER®-I.44P which is an onium ion modified clay containing ~40wt% dimethyl-dialkyl (C14-C18) ammonium surfactant and iii) laponite, a synthetic hectorite composed of two tetrahedral silica sheets and a central octahedral magnesia sheet, with cation exchange capacity 50meq/100g. The characterization of the synthesized (nano)composites carried out using XRD analysis, thermogravimetric (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) analysis and by taking scanning electron microspopy (SEM) images.

Αντικείμενο της παρούσης διατριβής αποτέλεσε η σύνθεση νανοσύνθετων υλικών πολυστυρενίου (PS) και πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας (LDPE) με μοντμοριλλονίτη και λαπονίτη, με στόχο την βελτίωση των θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους καθώς και την μείωση της διαπερατότητάς τους σε διάφορα μέσα όπως η υγρασία και ο αέρας. Τα νανοσύνθετα υλικά είναι μία νέα κατηγορία μικροσωματιδιακών στερεών στα οποία το ένα τουλάχιστον συστατικό έχει διαστάσεις της τάξεως των μερικών νανομέτρων. Τα τελευταία 15 χρόνια, όπως φαίνεται από τη βιβλιογραφία, γίνεται σημαντική έρευνα σε πολυμερή νανοσύνθετα υλικά με τη χρησιμοποίηση φυλλόμορφων αργίλων. Η σύνθεση τους βασίζεται στην ικανότητα των αργίλων να φιλοξενούν μεταξύ των φύλλων τους υλικά όπως διαλύτες, μονομερείς και πολυμερείς ενώσεις. Μια ελκυστική και επιθυμητή μορφή των υλικών αυτών περιλαμβάνει τη διασπορά ανεξάρτητων φυλλιδίων της αργίλου, πάχους περίπου 1 nm, στη μάζα του πολυμερούς, με αποτέλεσμα το υλικό να χαρακτηρίζεται ισότροπο. Οι μέθοδοι σύνθεσης που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία, διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: α) απευθείας παρένθεση του πολυμερούς ή ενός πρόδρομου πολυμερούς στην ενδοστρωματική περιοχή της φυλλόμορφης αργίλου, αφού προηγουμένως τα δύο συστατικά του σύνθετου υλικού διαλυθούν ή διασπαρθούν στον κατάλληλο διαλύτη, β) in situ πολυμερισμός του μονομερούς στην ενδοστρωματική περιοχή της αργίλου, ενδεχόμενα με τη βοήθεια εκκινητή ή τη χρήση καταλύτη για επιτάχυνση της διεργασίας πολυμερισμού και γ) παρένθεση με απευθείας ενσωμάτωση του πολυμερούς σε κατάσταση τήγματος στη φυλλόμορφη άργιλο. Στην παρούσα διατριβή ακολουθήθηκαν δύο μέθοδοι παρασκευής των υλικών, η πρώτη αφορά την απευθείας ένθεση του πολυμερούς στην φυλλόμορφη άργιλο με χρήση κατάλληλου διαλύτη και η δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει τη θέρμανση του μίγματος πολυμερές-άργιλος σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς. Επίσης, δόθηκε έμφαση στις μεθόδους τροποποίησης των ανόργανων αργίλων σε οργανόφιλους, με ιονανταλλαγή των αρχικών κατιόντων με πρωτονιομένες αμίνες με διαφορετικό μέγεθος και δομή ανθρακικής αλυσίδας, με στόχο την βέλτιστη διεύρυνση του χώρου μεταξύ των φύλλων της αργίλου και την ανάπτυξη ισχυρών διεπιφανειακών δεσμών ανάμεσα στα φύλλα της αργίλου και στις αλυσίδες του πολυμερούς, οι οποίοι στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν για την ένθεση του πολυμερούς από διάλυμα. Επιπλέον παρασκευάστηκαν υλικά με διάφορα ποσοστά προσθήκης ανόργανης φάσης στο κάθε πολυμερές.