Nanocompositi: classi, applicazioni, mercato

I nanocompositi a matrice polimerica sono una classe relativamente nuova di materiali costituiti da una matrice polimerica – termoplastica, termoindurente o anche naturale (es. cellulosica) – e da particelle di rinforzo aventi almeno una delle tre dimensioni dell’ordine del nanometro: tali nanorinforzi sono detti “nanofiller”.

L’aggiunta delle nanocariche alla matrice polimerica conferisce al materiale una serie di miglioramenti delle proprietà, grazie al fatto di unire le caratteristiche tecniche della matrice con quelle del materiale che costituisce le particelle, miglioramenti che possono essere ottenuti anche con basse percentuali di materiale disperso, facilitando così i processi di produzione e lavorazione di tali materiali.

Classificazione dei nanocompositi

A seconda della geometria delle particelle di rinforzo, i nanocompositi possono essere suddivisi in tre classi:

• prima classe: tutte tre le dimensioni delle particelle rientrano nel range nanometrico. Si parla di nanocompositi particellari composti da particelle isodimensionali. Tipiche particelle isodimensionali sono la silice sferica e le particelle metalliche;
• seconda classe: le dimensioni della carica nella nanoscala sono due, e si hanno forme allungate; i rinforzi sono nanofibre o nanotubi al carbonio. Questi ultimi sono derivati dai fullureni, e come questi sono forme allotropiche del carbonio, molecole artificiali di forma sferica, che nei primi anni ’90 i ricercatori riuscirono ad allungare fino a formare dei nanotubi di qualche millimetro di lunghezza (contro pochi nonometri di diametro). I nanotubi vengono ottenuti tramite diverse tecniche che possono essere anche complesse, e si basano essenzialmente sulla vaporizzazione del carbonio e l’utilizzo di laser. Dopo un “boom iniziale” però, già nei primi anni 2000 l’entusiasmo per i nanotubi al carbonio si è andato in gran parte smorzando, in relazione soprattutto al costo molto elevato di produzione. Infatti, una elevata percentuale di nanotubi prodotti contiene delle imperfezioni tali da renderli inutilizzabili; si tratta quindi di sottoporli a processi di purificazione complessi e che comunque hanno anch’essi spesso elevati livelli di scarto. Altri limiti all’utilizzo dei nanotubi possono essere rappresentati da problemi tecnici, quali una certa infiammabilità in determinate condizioni, o la non sufficiente resistenza all’onda d’urto di un proiettile. Sono infine stati avanzati sospetti di tipo sanitario sui nanotubi al carbonio, in relazione alla loro somiglianza con le fibre di amianto. In ogni caso, date le loro buone proprietà ottiche, di conduttività, di durezza abbinata a leggerezza, vengono ancora utilizzati in applicazioni nelle quali il rapporto costi / benefici sia giustificato: quindi applicazioni high tech, quali LED, laser a ultravioletti, attuatori, transistor, componenti fotovoltaici, componenti particolari per industria automobilistica, componenti per l’industria aerospaziale e della difesa, o applicazioni medicali. In queste ultime si prestano ad essere utilizzati grazie al fatto di poter essere solubili in acqua, favorendo la biocompatibilità e riducendone in maniera significativa la citotossicità. Applicazioni tipiche nel biomedicale sono come carrier di farmaci, aumento dell’attività neuronale, potenziali agenti per il trattamento di tumori, ecc. Le nano fibre rispetto ai nanotubi al carbonio hanno alcune prestazioni inferiori, ma anche costi di produzione inferiori; pertanto vengono spesso usate, essendo anch’esse idonee per ottenere strutture molto dure e al contempo leggere;
• terza classe: la carica presenta una sola delle tre dimensioni nel range nanometrico; si hanno i cosiddetti piattelli (sheets) aventi spessori nella nanoscala, ma lunghezze di alcune migliaia di nanometri. Si ha la formazione di cristalliti di nanocompositi a strati, da cui il nome di nanocompositi polimero – cristalli stratificati (P-SS): esiste un’ampia gamma di nano filler cristallini: tra i più diffusi sono le nano-argille e i silicati vari, quali la montmorillonite, saponite, hectorite ecc.

Si sono poi sviluppati altri materiali, tra cui di rilievo i cosiddetti POSS (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes), reagenti a base di silicio, funzionalizzati con un’ampia varietà di gruppi organici reattivi.

Delle varie nanocariche, quelle a base di argilla e silicati sono quelle di gran lunga le più utilizzate. Il successo delle nano argille sta nel fatto che si tratta di materie prime facilmente e abbondantemente disponibili in natura.

Le applicazioni dei nanocompositi

I settori di applicazione dei nanocompositi a matrice polimerica sono diversi e in continuo aumento:

• packaging;
• settore dell’ingegneria medica – biomedicale;
• industria farmaceutica;
• industria elettronica;
• edilizia;
• altri vari.

Il mercato dei nanocompositi

Il mercato dei nanocompositi crescerà da 4,1 miliardi di dollari nel 2019 a 8,5 miliardi di dollari entro il 2024, con un CAGR del 16,0%, tra il 2019 e il 2024. La crescita del mercato è dovuta all’elevata domanda dei settori imballaggio, aerospaziale e difesa, automobilistico e applicazioni di elettronica e semiconduttori. (fonte: Marketsandmarkets.com)