I nanocompositi: caratteristiche e versatilità per applicazioni molto speciali

Le nanotecnologie e i materiali nanometrici negli ultimi anni hanno attirato un interesse via via maggiore nel mondo della ricerca, per via delle straordinarie proprietà che possiedono e che, in molte applicazioni, li rendono migliori dei corrispettivi materiali macroscopici. In questo articolo ci focalizziamo sulla cateogoria dei materiali nanocompositi, con focus, in particolare, su nanocompositi già oggi diffusi: i silicati a strati polimerici, o PLS.

I materiali compositi rappresentano oggigiorno una classe molto diffusa di materiali, perché trovano un ampio rango di applicazioni nel mondo reale, grazie anche alla loro versatilità che li rende adatti anche ad applicazioni molto particolari e specifiche. Tra questi, i nanocompositi sono materiali dalle proprietà molto particolari, che trovano sempre più applicazioni tecnologiche di rilievo con il passare degli anni.

Definizione e classificazione dei nanocompositi

Come suggerisce il loro nome, la natura dei nanocompositi è caratterizzata da due aspetti: in quanto compositi, per definizione contengono due o più materiali uniti in una determinata via, in modo tale da combinare sinergicamente le proprietà positive dei singoli componenti. Solitamente si ha una fase più “abbondante” nel materiale che dà le proprietà principali del composito, detta matrice, e una (o più) meno abbondante e più piccola, detta rinforzo, aggiunta per migliorare alcune proprietà specifiche.

Il prefisso “nano”, invece, può ingannare: non è l’intero materiale composito ad essere a scala nanometrica! Solo una delle fasi utilizzate lo è, con almeno una delle tre dimensioni spaziali tipicamente attorno alle decine di nanometri.

Per quanto riguarda la classificazione, i due aspetti principali da considerare sono i tipi di rinforzo aggiunti e l’organizzazione dei nanomateriali nella matrice: i primi possono essere nanoparticelle, nanotubuli o anche nanolamelle, mentre in merito alla loro dispersione nella matrice si possono avere casi possibili molto diversi, come vedremo in seguito.

I silicati a strati polimerici (PLS)

I PLS rappresentano uno degli esempi più comuni ed utilizzati nel mondo dei nanocompositi. Tali materiali vengono spesso chiamati più semplicemente “nanocompositi a base di argilla”, perché, come si può vedere nell’immagine, contengono strati di silicati che ricordano la struttura tipica delle argille (detta Montmorillonita), aventi spessori molto sottili di pochi nanometri e lunghezze fino a 1 micrometro.

Queste lamelle di silicati si disperdono uniformemente nella matrice, al cui interno si trovano ioni metallici idratati (ad esempio di sodio o potassio) che conferiscono alle lamelle un’alta idrofilia, tipica delle argille in generale.

La natura polimerica del composito è rappresentata dalla matrice, che, vista l’idrofilia delle lamelle, deve contenere polimeri a loro volta polari, come il PEO o il PVA.

L’organizzazione precisa del sistema polimero-lamelle si può ottenere in tre modi diversi:

1. Intercalazione: le catene di polimero s’inseriscono tra una lamella e l’altra, ma senza separarle nettamente, dunque la dispersione delle lamelle nella matrice non è uniforme;
2. Flocculazione: simile al caso precedente, ma qui alcune lamelle adiacenti, interagendo reciprocamente, possono flocculare dentro la matrice;
3. Esfoliazione: qui le lamelle sono nettamente separate dalle catene polimeriche, il che comporta una distribuzione più uniforme nella matrice.

L’ultimo caso è solitamente quello preferibile, perché, essendo le lamelle meglio distribuite dentro il materiale, le proprietà meccaniche finali del nanocomposito sono decisamente migliori rispetto agli altri due casi (dove, al contrario, il materiale avrebbe un comportamento molto più fragile).

Proprietà e applicazioni

I vantaggi dei PLS rispetto a materiali simili ma con strutture più tradizionali sono molteplici, perché sono tante le proprietà che vengono influenzate. In generale, tutte le proprietà elencate di seguito migliorano per via delle forti interazioni che si stabiliscono tra la matrice polimerica e le lamelle di silicato (solitamente tramite la formazione di forti legami ad idrogeno).

Le proprietà più importanti che caratterizzano i PLS sono le seguenti:

1. Meccaniche: aumentando la quantità di silicati nella matrice, si osserva tipicamente un aumento lineare della resistenza a trazione del composito, ma tale aumento di solito ha un limite, poiché, se si aggiunge troppa fase inorganica, si ottiene una struttura non più esfoliata, bensì intercalata. Agendo sulla matrice, invece, si può influenzare la rigidezza, visto che quest’ultima tipicamente aumenta con il peso molecolare del polimero usato;
2. Ignifughe: il PLS ha una resistenza alle fiamme molto alta, probabilmente dovuta alla formazione di una superficie di confine stabile tra gli atomi di carbonio e i rinforzi, che impedisce la rigenerazione di “combustibile” disponibile per la combustione;
3. Barriera contro i gas: con la struttura esfoliata, le lamelle disperse ostacolano enormemente il flusso di gas che potrebbero permeare attraverso il materiale.

Considerate tutte queste proprietà differenti, è chiaro che il PLS possa essere utilizzato in tantissime applicazioni diverse possibili. Al giorno d’oggi, i settori dove si sta studiando l’uso di questo materiale in particolare sono quello alimentare, in combinazione con polimeri tipicamente usati per l’imballaggio di alimenti, e quello automobilistico, dove potrebbe essere utilizzato, ad esempio, nei paraurti e nei pannelli esteri/interni, viste anche la leggerezza e la stabilità termica che caratterizzano il PLS.

A cura di Pietro Baldin.