Fonctions et méthodes de traitement de la nano-montmorillonite organique dans le domaine des polymères
Introduction à la Nano-Montmorillonite Organique
1. Structure de la Montmorillonite
La montmorillonite est un minéral aluminosilicate hydraté naturel en couches. Il a une structure cristalline 2:1 composée de deux couches de tétraèdres silicium-oxygène prenant en sandwich une couche d’octaèdres aluminium-oxygène. Chaque couche de feuille a une épaisseur d'environ 1 nm, une longueur et une largeur d'environ 100 à 1 000 nm, et un espacement intercouche d'environ 1 à 1,5 nm, ce qui en fait un nanomatériau bidimensionnel naturel.
Formule chimique : (Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂Si₄O₁₀₂·nH₂O
2. Montmorillonite inorganique (bentonite aqueuse)
Le composant principal de la montmorillonite est le minéral montmorillonite, avec une teneur généralement comprise entre 40 % et 65 % dans les minerais extraits naturellement. Grâce à l'extraction, au séchage, au concassage et au criblage du minerai brut, un matériau de base montmorillonite est obtenu. Celui-ci est ensuite dispersé dans une suspension, suivi d'un dessablage par hydrocyclone, d'une purification centrifuge, d'une modification du sodium, d'une filtration, d'un séchage et d'une désagglomération pour produire de la montmorillonite (bentonite) à base de sodium de haute pureté.
En règle générale, les particules de montmorillonite sont constituées de nanofeuilles de silicate chargées négativement qui sont empilées en raison de forces électrostatiques. Même dans des conditions entièrement hydratées et dispersées, les particules de montmorillonite sont toujours composées de dizaines de feuilles empilées. Par conséquent, la montmorillonite inorganique ne peut pas réaliser une dispersion de nanofeuilles individuelles dans des matrices polymères, ce qui entraîne une faible fonctionnalité et une applicabilité limitée.
3. Nano-Montmorillonite organique
En raison de la charge négative sur les couches cristallines de la montmorillonite, des cations tels que Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ et Na⁺ peuvent être absorbés et échangés avec d'autres cations organiques, donnant à la montmorillonite une bonne capacité d'échange d'ions. Par échange de cations, la montmorillonite est intercalée avec des modificateurs d'intercalation de sel d'ammonium quaternaire couramment utilisés tels que le chlorure d'octadécyltriméthylammonium (1831), le chlorure d'octadécyldiméthylammonium (1827), le chlorure d'hexadécyltriméthylammonium (1631), le chlorure d'hexadécylbenzyldiméthylammonium (1627), le chlorure de dodécylbenzyldiméthylammonium (1227) et le chlorure de distéaryldiméthylammonium. (2HT-75, SM-95).
Cette intercalation augmente l'espacement intercouche à 2–4 nm, réduit l'énergie libre de surface du matériau et change la surface d'hydrophile à hydrophobe, ce qui donne lieu à une nano-montmorillonite organique. Cela améliore sa compatibilité avec les matrices polymères, permettant la formation de nouveaux types de nanocomposites montmorillonite/polymère, qui améliorent considérablement les propriétés mécaniques, la stabilité thermique, les propriétés de barrière aux gaz, la résistance aux antimicrobiens, la résistance au vieillissement UV, l'ignifugation, etc.
4. Rôle fonctionnel de la nano-montmorillonite organique dans les polymères
La nanostructure et les caractéristiques morphologiques de la nano-montmorillonite organique diffèrent des autres nanoparticules inorganiques bidimensionnelles ou tridimensionnelles, conférant ainsi d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques, fonctionnelles et autres propriétés physiques aux composites polymère/montmorillonite.
Les résultats pratiques existants montrent que les propriétés mécaniques des nanocomposites polymère/montmorillonite sont significativement améliorées. Par exemple, la résistance à la traction et à la flexion augmentent de 20 à 50 %, le module augmente de 1 à 2 fois, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure s'améliorent d'une fois, la température de déformation thermique augmente de 80 à 90 °C pour les polymères cristallins (tels que PA) et de 10 à 30 °C pour les polymères amorphes, le coefficient de dilatation thermique diminue d'environ 40 %, le taux d'absorption d'humidité diminue de 50 %, la stabilité dimensionnelle s'améliore de 2 à 5 fois et la perméabilité à la vapeur d'eau, à l'O₂, au CO₂ et à la lumière UV est réduite de 1/2 à 1/5.
Pendant la combustion, une formation de charbon se produit, retardant considérablement le taux de dégagement de chaleur et empêchant l'écoulement de la matière fondue, améliorant ainsi considérablement le caractère ignifuge. La fluidité à l'état fondu augmente, le retrait au moulage diminue et l'aptitude au traitement s'améliore. La densité du matériau composite est similaire à celle du polymère pur, qui est 20 à 30 % inférieure à celle des polymères modifiés avec des charges inorganiques conventionnelles. La transparence du matériau est également améliorée à des degrés divers.
Par conséquent, les nanocomposites polymère/montmorillonite sont devenus une nouvelle génération de matériaux d'emballage à haute barrière, de matériaux d'ingénierie légers à haute résistance, de matériaux électriques isolants hautement ignifuges et de matériaux hautes performances résistants à la fatigue.
5. Méthodes de traitement et d'application de la nano-montmorillonite organique
La montmorillonite doit subir deux processus pour obtenir une dispersion à l'échelle nanométrique dans les polymères. Ce n’est que lorsque les feuilles de nanosilicate sont parfaitement et uniformément dispersées que leur efficacité peut être maximisée.
La montmorillonite purifiée est convertie en nano-montmorillonite organique par réaction d'intercalation.
L'espacement intercouche de la montmorillonite inorganique est d'environ 1 à 1,5 nm et ses feuilles sont empilées en raison de forces électrostatiques, ce qui rend impossible la dispersion de nanofeuilles individuelles. Ce n'est que par réaction d'intercalation (nécessitant généralement 30 à 40 % d'intercalant) que l'espacement intercalaire peut être augmenté à 2 à 4 nm, le convertissant en nano-montmorillonite organique, réduisant l'énergie libre de surface et changeant la surface d'hydrophile à hydrophobe, permettant ainsi une meilleure dispersion dans les polymères.
La montmorillonite intercalée doit subir un cisaillement à double vis pour obtenir une dispersion complète à l'échelle nanométrique.
Pour obtenir une dispersion et une exfoliation optimales de la montmorillonite organique, il est recommandé d’utiliser une extrudeuse à double vis co-rotative ou un malaxeur BUSS lors du mélange avec des thermoplastiques.
Lors du mélange par extrusion, il est recommandé de sélectionner une configuration de vis avec un rapport longueur/diamètre élevé (>40 L/D) et des éléments de mélange hautement dispersifs. Pour éviter le compactage, il est préférable d'ajouter la montmorillonite organique via un dispositif d'alimentation latérale dans le polymère déjà fondu.
Lors de la dispersion dans l'extrudeuse bi-vis, il convient de veiller à ne pas « trop cisailler » la montmorillonite organique pour éviter son agglomération. Il est préférable d'utiliser des éléments de vis de mélange dispersifs. Une chaleur excessive peut entraîner une dégradation des performances et la formation d'odeurs. Une surchauffe peut également provoquer de la fumée au niveau de la filière, et des taux de cisaillement trop élevés dans l'extrudeuse peuvent entraîner une réagglomération et une réduction des performances.
Pour obtenir une meilleure dispersion, il est recommandé aux fabricants de matériaux de câbles, aux producteurs d'emballages barrières et aux entreprises de modification résistantes à la chaleur de préparer des mélanges maîtres de montmorillonite organique à 30 à 50 % pour les mélanger avec des granulés de plastique. Les mélanges maîtres peuvent être produits par un premier mélange interne suivi d'une dispersion à double vis, ou par une dispersion à alimentation latérale, avec l'ajout approprié de compatibilisants de greffage et d'auxiliaires de dispersion.
