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ナノ材料

ナノクレイ

ナノクレイは、クレイ系ナノ複合材料用に最適化された粘土鉱物であり、特定用途向けにさまざまな特性を向上させた多機能材料系です。ポリマー・クレイ系ナノ複合材料はそのような材料の中でも特によく研究されています。ナノクレイは自然界にある幅広い形状・組成を持つ無機材料で、その中でも板状のモンモリロナイトは最も一般的に材料に利用されています。モンモリロナイトは、厚さ約1 nmのアルミノケイ酸塩の層から構成されており、層の表面は金属カチオンで置換され、10 μm程度の多層積層構造を持っています(図1a)。この積層構造の化合物はポリマーマトリックス中に分散して、ポリマー・クレイ系ナノ複合材料を形成します(図1b)。ナノ複合材料の内部では、nm単位の厚さの個々のクレイ層が完全に分離して、アスペクト比が非常に高い(nm × μm)板状のナノ粒子を形成します。分散性が高いためにナノクレイの含有量が低く(わずか数重量パーセント)ても、ナノ複合材料全体が、ポリマー鎖の大部分がクレイ表面に近接している「界面ポリマー(interfacial polymer)」として働きます。そのため、ナノ複合材料の特性は純粋なポリマーと比較して劇的に変わる可能性があります(表1)。分散した板状のナノクレイがポリマーの結晶化を抑制した場合の利点として、機械的強度の増加、ガス透過性の減少、耐燃性の向上、さらに透明性の向上などが考えられます1-4

ナノクレイの模式図とTEM写真

図1(a) nm厚のモンモリロナイトクレイアルミノケイ酸塩層の概略図。(b) 2%ナノクレイ(Nanomer® I.34TCN)とナイロン6のナノ複合材料のTEM写真。クレイ層は、別々の板状ナノ粒子として完全に分散しています。

表1 ポリマー・クレイ系ナノ複合材料の特性向上の例
Material Tensile
Strength
(MPa)
Tensile
Modules
(MPa)
Flexural
Strength
(MPa)
Flexural
Modulus
(MPa)
HDT*
@264 Psi
(℃)
Nylon 6 (neat) 75 3140 114 3112 59
5% I.34TCN in Nylon 6 80 4200 142 4223 102

※Tensile Strength: 引張り強度、Tensile Modules: 引張り弾性率、Flexural Strength: 曲げ強度、Flexural Modules: 曲げ弾性率、HDT(Heat deflection temperature): 荷重たわみ温度

モンモリロナイトナノクレイ -Nanomer®

シグマアルドリッチでは、Nanocor社製モンモリロナイトナノクレイを取り扱っております。これらのクレイは、疎水性ポリマーと混和できるように、表面をアルキルアンモニウムカチオンで置換してあります。Nanomer® I シリーズの5つのクレイはそれぞれ、表面に結合したカチオンの化学的性質が異なります。Nanoclay Nanomer® PGV(682659)のカチオン性クレイ層は親水性で、水性ポリマーに分散させることができます。ナノ複合材料の特性は、ナノ複合材料の作製方法だけでなく、有機カチオンとポリマー鎖の化学的性質に大きく依存します2。ナノクレイ製品の情報を、Nanocor社のデータシート(英語版)と共に以下の表に記載しておりますので、ご参考下さい。

モンモリロナイトナノクレイ(Nanomer®)製品一覧
製品番号 製品名 用途/
【Nanocor社データシート番号】
改善特性
682608 Nanoclay Nanomer® I.28E Epoxy (anhydride-cured)
T12  , T14  , T17  】
硬化速度の向上、弾性率および耐薬品性の改善
682616 Nanoclay Nanomer® I.30E Epoxy (amine-cured), polyurethane
T11  , T13  】
硬化速度の向上、弾性率および耐薬品性の改善
682624 Nanoclay Nanomer® I.44P Polypropylene, polyethylene, ethylene vinyl acetate
P801  , P804  】
モジュラスの向上、ガス透過性の減少、耐燃性および耐薬品性の改善
682632 Nanoclay Nanomer® I.31PS Same as I.44P
P801  , P804  】
I.44Pと同様。ただし、さらに高温に応用可能
682640 Nanoclay Nanomer® I.34TCN Polyamides (Nylon 6, Nylon 66)
N605  】
弾性率の向上、ガス透過性の減少、耐燃性および耐薬品性の改善
682659 Nanoclay, Nanomer® PGV Hydrophylic polymers (e.g. polyvinyl alcohol)
G105  】
加工性および耐薬品性の改善

* Nanomer® clays are products of Nanocor Corporation .

弊社季刊誌Material Matters Vol.2 No.1でこの「ポリマー・クレイ系ナノ複合材料(英語版)」について解説されています。ご参考ください。

References

  1. Material Matters 2006, v.1, No.2.
  2. Vaia, R. A.; Jandt, K.D.; Kramer, E.; Giannelis, E. P. Chem. Mater. 1996, 8, 2628.
  3. LeBaron, P. C.; Wang, Z.; Pinnavaia, T. J. Applied Clay Science 1999, 15, 11.
  4. Morgan, A. B. Material Matters 2007, 2, 20.
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