وظائف وطرق معالجة النانو مونتموريلونيت العضوي في مجال البوليمرات

وظائف وطرق معالجة النانو مونتموريلونيت العضوي في مجال البوليمرات

مقدمة إلى النانو مونتموريلونيت العضوي

1. هيكل المونتموريلونيت
المونتموريلونيت هو معدن ألومينوسيليكات مائي ذو طبقات طبيعية. إنه ذو هيكل بلوري 2: 1 يتكون من طبقتين من رباعي السطوح السيليكون والأكسجين وطبقة من ثماني السطوح الألومنيوم والأكسجين. تبلغ سماكة كل طبقة من الصفائح حوالي 1 نانومتر، ويبلغ طولها وعرضها حوالي 100-1000 نانومتر، ومسافة بين الطبقات حوالي 1-1.5 نانومتر، مما يجعلها مادة نانوية طبيعية ثنائية الأبعاد.
الصيغة الكيميائية: (Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂Si₄O₁₀₂·nH₂O

2. المونتموريلونيت غير العضوي (البنتونيت المائي)
المكون الرئيسي للمونتموريلونيت هو معدن المونتموريلونيت، مع محتوى يتراوح عمومًا بين 40% إلى 65% في الخامات المستخرجة بشكل طبيعي. من خلال التعدين والتجفيف والسحق والغربلة للخام الخام، يتم الحصول على مادة أساسية من المونتموريلونيت. يتم بعد ذلك تشتيت هذا إلى ملاط، يليه إزالة الرمل بالسيكلون المائي، والتنقية بالطرد المركزي، وتعديل الصوديوم، والترشيح، والتجفيف، وتفكيك التكتل لإنتاج مونتموريلونيت عالي النقاء يعتمد على الصوديوم (البنتونيت).
عادةً، تتكون جزيئات المونتموريلونيت من صفائح سيليكات نانوية سالبة الشحنة يتم تكديسها معًا بسبب القوى الكهروستاتيكية. حتى في ظل الظروف الرطبة والمتناثرة بالكامل، لا تزال جزيئات المونتموريلونيت مكونة من عشرات الصفائح المكدسة. لذلك، لا يمكن للمونتموريلونيت غير العضوي تحقيق تشتت صفائح النانو الفردية في مصفوفات البوليمر، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء الوظيفي ومحدودية التطبيق.

3. نانو مونتموريلونيت عضوي
نظرًا للشحنة السالبة على طبقات بلورات المونتموريلونيت، يمكن امتصاص الكاتيونات مثل Ca²⁺ وMg²⁺ وK⁺ وNa⁺ وتبادلها مع الكاتيونات العضوية الأخرى، مما يمنح المونتموريلونيت قدرة جيدة على التبادل الأيوني. من خلال التبادل الكاتيوني، يتم إقحام المونتموريلونيت مع معدّلات إقحام ملح الأمونيوم الرباعي شائعة الاستخدام مثل كلوريد أوكتاديسيل تريميثيل الأمونيوم (1831)، كلوريد أوكتاديسيل ثنائي ميثيل الأمونيوم (1827)، كلوريد سداسي سيلتريميثيل الأمونيوم (1631)، كلوريد هيكساديسيل بنزيل ثنائي ميثيل الأمونيوم (1627)، كلوريد دوديسيل بنزيل ثنائي ميثيل الأمونيوم (1227)، وكلوريد ديستيريل ثنائي ميثيل الأمونيوم (2HT-75، SM-95).
يزيد هذا الإقحام من تباعد الطبقات البينية إلى 2-4 نانومتر، ويقلل من الطاقة الحرة لسطح المادة، ويغير السطح من محب للماء إلى كاره للماء، مما يؤدي إلى نانو مونتموريلونيت عضوي. يؤدي ذلك إلى تحسين توافقه مع مصفوفات البوليمر، مما يتيح تكوين أنواع جديدة من مركبات المونتموريلونيت/البوليمر النانوية، والتي تعزز بشكل كبير الخواص الميكانيكية، والاستقرار الحراري، وخصائص حاجز الغاز، ومقاومة مضادات الميكروبات، ومقاومة الشيخوخة فوق البنفسجية، ومثبطات اللهب، والمزيد.

4. الدور الوظيفي للنانو مونتموريلونيت العضوي في البوليمرات
تختلف البنية النانوية والخصائص المورفولوجية للنانو مونتموريلونيت العضوي عن الجسيمات النانوية غير العضوية الأخرى ثنائية أو ثلاثية الأبعاد، وبالتالي تضفي خصائص ميكانيكية وحرارية ووظيفية وفيزيائية أخرى ممتازة على مركبات البوليمر/المونتموريلونيت.
تظهر النتائج العملية الحالية أن الخواص الميكانيكية للمركبات النانوية البوليمرية/المونتموريلونيت قد تحسنت بشكل كبير. على سبيل المثال، تزيد قوة الشد وقوة الانثناء بنسبة 20%-50%، ويزيد المعامل بمقدار 1-2 مرة، ويتحسن معامل الاحتكاك ومقاومة التآكل بمقدار مرة واحدة، وتزداد درجة حرارة انحراف الحرارة بمقدار 80-90 درجة مئوية للبوليمرات البلورية (مثل PA) و10-30 درجة مئوية للبوليمرات غير المتبلورة، وينخفض معامل التمدد الحراري بحوالي 40%، وينخفض معدل امتصاص الرطوبة بنسبة 50%. يتحسن استقرار الأبعاد بمقدار 2-5 مرات، وتنخفض نفاذية بخار الماء، O₂، CO₂، والأشعة فوق البنفسجية إلى 1/2-1/5.
أثناء الاحتراق، يحدث تكوين الفحم، مما يؤخر بشكل كبير معدل إطلاق الحرارة ويمنع تقطر الذوبان، وبالتالي تحسين تثبيط اللهب بشكل كبير. تزداد قابلية تدفق الذوبان، ويقلل انكماش القالب، وتتحسن قابلية المعالجة. تشبه كثافة المادة المركبة كثافة البوليمر النقي، وهي أقل بنسبة 20% إلى 30% من كثافة البوليمرات المعدلة باستخدام الحشوات غير العضوية التقليدية. تم أيضًا تحسين شفافية المادة بدرجات متفاوتة.
لذلك، أصبحت المركبات النانوية البوليمرية/المونتموريلونيت جيلًا جديدًا من مواد التعبئة والتغليف عالية الحاجز، والمواد الهندسية خفيفة الوزن عالية القوة، والمواد الكهربائية العازلة عالية مثبطات اللهب، والمواد عالية الأداء المقاومة للتعب.

5. طرق المعالجة والتطبيق للمونتموريلونيت النانوي العضوي
يجب أن يخضع المونتموريلونايت لعمليتين لتحقيق التشتت النانوي في البوليمرات. فقط عندما يتم تفريق صفائح السيليكات النانوية بشكل كامل وموحد، يمكن تعظيم فعاليتها.

يتم تحويل المونتموريلونيت المنقى إلى نانو مونتموريلونيت عضوي من خلال تفاعل الإقحام.
تبلغ المسافة البينية بين الطبقات للمونتموريلونيت غير العضوي حوالي 1-1.5 نانومتر، ويتم تكديس صفائحه بسبب القوى الكهروستاتيكية، مما يجعل من المستحيل تفريق أوراق النانو الفردية. فقط من خلال تفاعل الإقحام (الذي يتطلب بشكل عام 30-40% مقحم) يمكن زيادة التباعد بين الطبقات إلى 2-4 نانومتر، وتحويلها إلى مونتموريلونيت عضوي، مما يقلل الطاقة الحرة للسطح، ويغير السطح من محب للماء إلى كاره للماء، وبالتالي تمكين تشتت أفضل في البوليمرات.

يجب أن يخضع المونتموريلونيت المقحم للقص المزدوج لتحقيق التشتت الكامل على المستوى النانوي.
لتحقيق التشتت والتقشير الأمثل للمونتموريلونيت العضوي، يوصى باستخدام جهاز بثق مزدوج اللولب أو جهاز عجن BUSS عند الخلط مع اللدائن الحرارية.
أثناء تركيب البثق، يوصى باختيار تكوين لولبي بنسبة طول إلى قطر عالية (> 40 لتر/ي) وعناصر خلط عالية التشتت. لتجنب الضغط، من الأفضل إضافة المونتموريلونيت العضوي عبر جهاز تغذية جانبي إلى البوليمر المنصهر بالفعل.
أثناء التشتيت في جهاز البثق المزدوج اللولب، يجب الحرص على عدم 'القص الزائد' للمونتموريلونيت العضوي لتجنب التكتل. من الأفضل استخدام عناصر لولبية الخلط المشتتة. يمكن أن تؤدي الحرارة المفرطة إلى تدهور الأداء وتكوين الرائحة. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة أيضًا إلى ظهور دخان عند القالب، ويمكن أن تؤدي معدلات القص المرتفعة بشكل مفرط في الطارد إلى إعادة التكتل وانخفاض الأداء.
ولتحقيق تشتت أفضل، يوصى بأن يقوم مصنعو مواد الكابلات، ومنتجو عبوات الحواجز، وشركات التعديل المقاومة للحرارة بإعداد 30-50% من الأصبغة العضوية من المونتموريلونيت لمزجها مع الكريات البلاستيكية. يمكن إنتاج الأصبغة عن طريق الخلط الداخلي الأول متبوعًا بالتشتيت المزدوج اللولب، أو عن طريق التشتيت بالتغذية الجانبية، مع إضافة مناسبة لمتوافقات الكسب غير المشروع ومساعدات التشتيت.