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牡蛎壳激发了制造超强柔性聚合物的新方法

哥伦比亚工程公司的研究人员首次展示了一种新技术,该技术的灵感来自牡蛎壳珍珠层,这种复合材料具有非凡的机械性能,包括强度和弹性。通过改变最初与纳米颗粒充分混合的聚合物的结晶速度,该团队能够控制纳米颗粒如何在三种截然不同的长度尺度下自组装成结构。这种多尺度排序可以使基材几乎一个数量级更硬,同时仍然保持聚合物材料所需的可变形性和轻质性能。该研究由Bykhovsky化学工程教授Sanat Kumar领导,于6月7日在线发表于ACS Central Science。

牡蛎壳激发了制造超强柔性聚合物的新方法

“基本上,我们已经创造了一种一步法来制造比其主体材料强度更高的复合材料,”聚合物动力学和自组装专家Kumar说。“我们的技术可以改善商业相关塑料材料的机械和其他物理性能,应用于汽车,保护涂料和食品/饮料包装,我们每天都使用的东西。而且,展望未来,我们也可以产生有趣的纳米复合材料的电子或光学特性,有可能制造新材料和功能器件,可用于建筑等结构应用,但能够原位监测其健康状况。“

大约75%%的商业上使用的聚合物,包括用于包装的聚乙烯和用于瓶子的聚丙烯,是半结晶的。这些材料机械强度低,因此不能用于许多先进的应用,如轮胎,风扇,保险杠等汽车配件。几十年来,研究人员已经知道,可以追溯到20世纪初,不同的纳米粒子分散在聚合物,金属中和陶瓷基质可以显着改善材料性能。自然界中一个很好的例子是珍珠母,它是95%%的无机文石和5%%的结晶聚合物(几丁质); 它的分层纳米粒子排序 - 插入的脆性片晶和弹性生物聚合物薄层的混合物 - 强烈改善其机械性能。此外,平行的文石层,通过纳米级(~10nm厚)结晶生物聚合物层保持在一起,形成“砖”,随后组装成微米级和更大的“砖 - 砂浆”超结构。这种结构在多种长度尺寸下大大增加了其韧性。

“虽然在纳米科学中实现将纳米粒子自发组装成聚合物主体的层次结构,但在纳米科学中已成为'圣杯',直到现在还没有确定的方法来实现这一目标,”Kumar的博士生Dan Zhao说道。本文作者。“我们通过利用聚合物结晶动力学控制,多尺度组装纳米粒子来应对这一挑战。”

虽然专注于聚合物纳米复合材料的研究人员已经实现了对无定形聚合物基质中纳米颗粒组织的容易控制(即聚合物不结晶),但迄今为止还没有人能够在结晶聚合物基质中调节纳米颗粒组装。一种相关的方法依赖于冰模板。使用这种技术,研究人员已经结晶小分子(主要是水)来组织胶体颗粒,但是,由于这些过程的内在动力学,颗粒通常被排出到微米级晶界,因此研究人员无法订购纳米颗粒跨越模仿珍珠层所需的多个尺度。

Kumar的小组,调整结构和因此聚合物纳米复合材料的性质的专家发现,通过在聚合物溶液(聚环氧乙烷)中混合纳米颗粒并通过改变分冷却程度(即远低于进行结晶的熔点),它们可以控制纳米粒子如何自组装成三种不同的尺度方式:纳米,微米和微米。在结晶过程开始之前,每个纳米颗粒被聚合物均匀地包裹并均匀间隔。然后将纳米颗粒组装成片(10-100nm),并且当聚合物结晶时,片在微米级(1-10μm)上聚集成聚集体。

“这种受控的自组装非常重要,因为它可以提高材料的刚度,同时保持材料坚韧,”Kumar说。“而且这些材料保留了纯半结晶聚合物的低密度,我们可以将结构部件的重量保持在较低的水平,这对于汽车和飞机等应用至关重要,其中重量是一个重要考虑因素。通过我们的多功能方法,我们可以改变颗粒或聚合物,以实现某些特定的材料行为或设备性能。“

Kumar的团队计划接下来研究能够使粒子向系统的某些区域移动的基本原理,并开发加速粒子排序动力学的方法,目前需要几天时间。然后,他们计划探索其他应用驱动的聚合物/颗粒系统,如聚丙交酯/纳米颗粒系统,可以设计为下一代可生物降解和可持续的聚合物纳米复合材料,以及聚乙烯/二氧化硅,用于汽车保险杠,建筑物和桥梁。

“用这些新型复合材料替代结构材料的潜力可能会对可持续材料以及我们国家的'基础设施产生深远的影响,”库马尔说。