Eigenschaften und Anwendungen

Nanoton oder englisch Nanoclays (clay = englisch: Tonmineral) basieren auf natürlich vorkommenden Tonen, welche hauptsächlich aus feinteiligen Mineralpartikeln bestehen. Die mineralischen Partikel der Tone bestehen aus Schichtsilikaten, das sind Verbindungen auf Basis der Elemente Silizium und Sauerstoff und anderen Elementen. Man kann sie sich als „Stapel" von 2-dimensionalen Einfach-, Doppel- oder Mehrfachschichten vorstellen, die aus eckenverknüpften SiO4-Tetraedern bestehen. Die Schichten sind untereinander nicht miteinander verknüpft und können zwischen den Ebenen Wasser und andere Substanzen aufnehmen oder abgeben und dadurch anschwellen oder schwinden, was starre Gerüstsilikate (siehe auch Zeolithe) nicht können.

 

Kaolinit ©molekuul.be/fotolia.comKaolinit ©molekuul.be/fotolia.comZu den Schichtsilikaten zählen Gruppen von Mineralen wie z. B. Glimmer (K Al2[AlSi3O10(OH)2]), Talk (Mg3[Si4O10(OH)2]), Kaolin (Al2[Si2O5(OH)4]), Serpentin (Mg3[Si2O5(OH)4]), Montmorillonit (Mg0.33Al1.67[Si4O10(OH)2] (Ca, Na)x(H2O)n) oder Sepiolit (Mg4[Si6O15](OH)2 4 H2O). Sie unterscheiden sich unter anderem in der Größe und Abfolge der Bereiche, in denen die SiO4-Tetraeder in den Ebenen nach oben oder unten orientiert sind. Weiterhin unterscheiden sie sich in der Art der eingelagerten Ionen.

Montmorillonit, das technisch bedeutsamste Tonmineral als Hauptbestandteil von Bentonit, ist aufgebaut aus SiO4-Tetraederdoppelschichten mit eingelagerten Oktaederschichten aus Aluminium-, Hydroxid- und Eisenionen. Ein typisches Montmorillonit-Teilchen besteht aus ca. 1 nm dicken Alumosilikatschichten mit lateralen Abmessungen im Bereich von mehreren hundert Nanometern bis ca. 10 Mikrometern, die sich zu großen Stapeln zusammenfügen.

Nanoclays sind nicht brennbar. Das wird im Flamm- und Brandschutz für Kunststoffe genutzt. Sie werden in den Kunststoff eingemischt, dadurch verringert sich die Menge an brennbarem Material. Brennt der Kunststoff, bildet sich eine Trennschicht, die verhindert, dass dieser weiterbrennt. Nicht mehr wegzudenken sind Nanoclays daher heutzutage für die Elektro- und Elektronikindustrie.

Nanoclays können Cäsium binden und zur Reduzierung radioaktiver Kontaminationen genutzt werden.

 

Für den Einsatz als Katzenstreu wird eine Mischung aus üblicherweise Zeolithe, Sepiolithe oder Bentonite bzw. Montmorillonite verwendet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Aufnahmefähigkeit für Wasser und geruchsverursachende Bestandteile des Katzenurins und Kots aus.
Auch der Einsatz von Schichtsilikaten als Füllstoffe für Polymerbeschichtungen auf Textilien wurde untersucht.

 Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise als Kunststoffzusatz in Lebensmittelverpackungsfolien und Plastikflachen (nicht in der EU zugelassen). Mit Nanoton versetzte Kunststoffe besitzen weiterhin oftmals eine höhere Zugfestigkeit, verbesserte Barriere- und Abrasionseigenschaften, hervorragende Oberflächenqualitäten, geringe thermische Ausdehnung und sehr gute Fließ- und Verarbeitungseigenschaften.

Dieses herausragende Eigenschaftsprofil macht Kunststoff-Nanoton-Kompostite zu einer interessanten Alternative zu konventionell verstärkten Werkstoffen. Zusätzlich lassen sich mit Hilfe von Nanotonen, chemisch unverträgliche Kunststoffe mischen, so dass ein Kunststoff entsteht, der die Eigenschaften beider Kunststoffe optimal vereint.

 

Natürlich vorkommender Halloysit Nanoton könnte als Wirkstoffträger für eine kontrollierte Abgabe von Medikamenten sorgen, aber kann auch als Mittel zur Einstellung von Fließeigenschaften verwendet werden. Er besteht aus doppelwandigen Röhrchen aus Alumosilikat mit Abmessungen von 15 × 1000 nm und ist chemisch verwandt mit Kaolin.

 

Vorkommen und Herstellung

Montmorillon ©Jean Paul Bounine / Fotolia.comNanoclays werden überwiegend auf der Basis des natürlich vorkommenden Sedimentgesteins Bentonit hergestellt, welcher wiederum zu 60 bis 80 Prozent aus Montmorillonit besteht. Bentonit ist nach einem Tonvorkommen in den USA im Staate Wyoming in der Nähe von Fort Benton benannt worden. Er ist ein extrafeines Tonmineral, das durch die Verwitterung von Vulkanasche entsteht. In Europa findet man wichtige Lagerstätten z.B. auf der griechischen Insel Milos, in der Türkei und in Deutschland. In Bayern findet man die größten Abbaugebiete für das Mineral. Montmorillonit ist nach einer Lagerstätte bei Montmorillon in Südfrankreich benannt. Montmorillonitreiche Tone sind durch die Verwitterung und Umwandlung vulkanischer Aschen, Tuffen und basischer Gesteine (z. B. Basalten) entstanden.

Für sehr viele Anwendungen und Produkte in der Kosmetik- und Agrarindustrie oder auch als Katzenstreu werden bevorzugt naturbelassene Bentonite verwendet.
Um die bereits vorhandene Quellfähigkeit von natürlichen Bentoniten in Wasser für Anwendungen in der Gießereiindustrie, der Bau- und Bohrindustrie sowie im Lebensmittelbereich weiter zu steigern, wird oft eine alkalische Aktivierung vorgenommen. Hierbei werden die Kationen (Magnesium, Aluminium, Kalzium) in den Zwischenschichten des Montmorillonits durch Natrium-Ionen ersetzt. Bei der technischen Herstellung erfolgt nach einer Knetaktivierung mit Soda (NaCO3) ein Trocknungsprozess, an den sich ein Mahlschritt des Natrium-Montmorillonit anschließt.

In der Papierherstellung sowie als Katalysatoren kommen sauer aktivierte Bentonite zum Einsatz. Dieser wird verwendet, wenn eine große Oberfläche benötigt wird, um die Adsorptionseigenschaften von Bentonit nutzen zu können. Durch Umsetzung mit Säuren werden Kationen (Magnesium, Aluminium, Eisen) aus den Zwischenschichten herausgelöst und durch Wasserstoff-Kationen ersetzt. Je nach Grad der sauren Aktivierung können spezifische Oberflächen von bis 450 m²/g erzielt werden.

Zur Einstellung der Fließeigenschaften von Ölen, Fetten, Salben und Kunststoffen werden organophile Bentonite eingesetzt. Diese werden bevorzugt aus alkalisch aktivierten Bentoniten hergestellt und dafür mit organischen Stickstoffverbindungen (Ammoniumverbindungen) umgesetzt, wie man sie z. B. in käuflichen Weichspülern findet. Durch die organische Modifizierung wird die ursprünglich wasserliebende Oberfläche des Bentonits wasserabweisend gemacht und erlaubt so eine vollständige Verteilung der einzelnen Schichtsilikatplättchen in organischen (wasserabweisenden) Lösemitteln. Dies ist wichtig, wenn man wasserabweisende Nanoclays zur gezielten Beeinflussung der Fließeigenschaften von lösemittelbasierten Farben und Lacken oder in Kunststoffen einsetzen möchte.

Der weltweite Markt für Nanoclays wächst und es wird geschätzt, dass er im Jahr 2023 über 3,3 Milliarden US-Dollar betragen wird.

 

Weiterführende Literatur