Наноразмерное влияние поверхности циркониевого наполнителя на механическую прочность на разрыв полимерных композитов

Введение

Наноматериалы являются одними из самых интересных передовых материалов во многих областях исследований и приложений [1,2,3,4,5], поскольку их внутренние физические / химические свойства настолько отличаются от свойств объемных материалов [6,7,8,9 ]. Когда наноматериалы применяются в качестве наполнителей полимерных композитов, незначительные различия в наполнителях, такие как площадь поверхности, структура поверхности и морфология частиц наноматериалов, приводят к резким изменениям в макромасштабных свойствах композитов [10].

Например, включение неорганических компонентов в полимеры улучшило физические и химические свойства, такие как термическая стабильность, механическая прочность, диспергируемость и растворимость [11,12,13,14].

Однако систематическое исследование не смогло прояснить взаимосвязь между наноразмерными свойствами наноматериалов, то есть структурой, морфологией и площадью поверхности, и физическими и механическими свойствами композитов на макроуровне.

Пористые наноматериалы оксида металла, такие как диоксид кремния [15,16,17], диоксид титана [18,19,20], диоксид циркония [21,22,23], диоксид церия [24,25,26] и другие материалы [ 27,28,29] с большой площадью поверхности применялись в химическом катализе, абсорбции газов, разделении, доставке лекарств и материалах для хранения энергии [30,31,32,33,34,35]. В этом контексте наша группа разработала уникальные сборки наночастиц оксида металла со сферической морфологией субмикронного размера с помощью простого однореакторного и одноэтапного сольвотермического подхода [36]. Мы назвали эти материалы m мк / м эзопорно а rchitected r полностью я интегрированные м etal o xides (МАРИМО). Они обеспечивают шероховатость поверхности в нанометровом масштабе и большую площадь поверхности. Например, TiO ₂ MARIMO имеет нановогнутую-выпуклую поверхность из-за наличия большого количества мелких первичных частиц диаметром ок. 5 нм и высокая удельная поверхность (400 м ² г ⁻¹ ) [35]. В предыдущих исследованиях мы применили эти уникальные материалы для поддержки неоднородных нанометаллических катализаторов и анодных материалов для аккумуляторных батарей. В носителе катализатора высокодисперсные наночастицы Au на TiO ₂ Поверхность носителя MARIMO увеличивала каталитическую активность и повышала стойкость катализатора при высокой температуре [37]. В материале анода Nb ₂ О ₅ -TiO ₂ MARIMO увеличила текущую емкость и срок службы батарей [38]. Кроме того, TiO ₂ жгуты нановолокон с морфологией щечной щеточки повышают механическую прочность полимерного гидрогеля при использовании в качестве наполнителя [39].

Эффект закрепления в нано- и микромасштабе является наиболее важным в механизме адгезии. Мы считаем, что эти MARIMO с нановогнутыми-выпуклыми поверхностными структурами, огромными площадями поверхности и пористыми структурами будут подходящими для прояснения взаимосвязи между наноразмерными свойствами поверхности и свойствами материала на макроуровне, поскольку поверхностные свойства MARIMO можно легко настроить с помощью термообработка и полимерная отделка (рис. 1). Например, термическая обработка MARIMO создает гладкую поверхность с уменьшенной площадью поверхности и меньшей пористостью. Пропитка [40] мономеров или полимеров в поры MARIMO должна маскировать нановогнутую-выпуклую поверхность MARIMO. Таким образом, в этой статье был изучен новый метод модификации поверхности наполнителя путем пропитки полимеров для маскировки нановогнутой-выпуклой формы MARIMO, чтобы продемонстрировать эффект нано-закрепления поверхности наполнителя. Здесь мы выбрали диоксид циркония (ZrO ₂ ) MARIMO в качестве наполнителя для улучшения механических свойств полимерных композитов, поскольку ZrO ₂ наполнитель демонстрирует лучшие свойства, такие как химическая стойкость, особенно к кислотам, механическая прочность и термическая стабильность, что было бы благоприятно для полимерной матрицы, чтобы привести к прочным полимерным композитам [41,42,43]. Мономеры, 2-гидроксиэтилметакрилат (HEMA), бензилметакрилат (BMA) и циклогексилметакрилат (CHMA), а также их полимеры были выбраны для модификации нановогнутой-выпуклой поверхности ZrO ₂ Наполнители MARIMO. Поли ( N -изопропилакриламид) (ПНИПАМ) гидрогель был выбран в качестве матрицы для полимерных композитов.

Схема модификации поверхности ZrO ₂ МАРИМО термической обработкой и пропиткой мономером / полимером

Существует несколько подходов к оценке физических и химических взаимодействий между поверхностями наполнителя и полимерными цепями в полимерных композитах. Их представители - термогравиметрия, УФ-видимая спектроскопия, ИК-Фурье спектроскопия и микроскопия. Здесь мы использовали механические испытания на растяжение как альтернативный метод, который является относительно простым, легким и быстрым. Имеется несколько отчетов о механических свойствах гидрогелей с оксидом графена и ZrO ₂ . порошок [44, 45], который отличается от нашего простой системой, состоящей только из диоксида циркония и полимерной матрицы. Насколько нам известно, не было опубликовано никаких отчетов о взаимосвязи между наноструктурными изменениями на поверхности наполнителя и полимерными цепями в полимерных композитах.

Методы

Материалы

N -изопропилакриламид (НИПАМ), N, N, N ', N' -тетраметилэтилендиамин (TMEDA), персульфат калия (KPS) и технический диоксид циркония (технический ZrO ₂ ) были приобретены у FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation. HEMA, BMA, CHMA и 1-гидроксициклогексилфенилкетон (HCPK) были приобретены у Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Все реагенты использовали в том виде, в каком они были получены. ZrO ₂ MARIMO был получен от UJIDEN Chemical Industry Co., Ltd.

Приготовление ZrO, пропитанного HEMA, NIPAM, BMA и CHMA ₂ Наполнители MARIMO

Метод пропитки нанесенного нанометаллического катализатора [40] был применен для получения HEMA-импрегнированного ZrO ₂ Наполнитель MARIMO. ZrO ₂ MARIMO сушили при 80 ° C под вакуумом в течение 12 часов. Затем 20 мкл смеси HEMA / HCPK (20/1, моль / моль) добавляли к 200 мг высушенного в вакууме ZrO ₂ . MARIMO, и смесь хорошо перемешали вручную ступкой с пестиком. Затем его облучали УФ-светом в течение 1 часа с периодическим перемешиванием каждые 15 минут. Аналогичные процедуры были использованы для получения ZrO ₂ , пропитанного НИПАМ, БМА и СНМА. Наполнители MARIMO.

Приготовление гидрогелей PNIPAM с ZrO ₂ Наполнители

Гидрогели, состоящие из ПНИПАМ и ZrO ₂ наполнители были приготовлены по ранее описанной методике [37]. ZrO ₂ MARIMO (24 мг, 0,02 мас.%) Диспергировали в 115 мл воды обратного осмоса с N ₂ барботирование перед добавлением к раствору НИПАМ (36 г, 30 мас.%). Смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем последовательно добавляли KPS (0,18 г, 0,67 ммоль) в воде (5 мл) и TMEDA (1,8 мл, 12 ммоль). Смесь осторожно переносили в несколько стеклянных пробирок внутренним диаметром 1,0 см. Верхний мертвый объем трубок продували N ₂ . и стеклянные пробирки плотно закрывали навинчивающимися крышками, а затем оставляли при 25 ° C. Через 3 дня стеклянные пробирки были разрезаны и полимерные гидрогели удалены. Полученные стержни из гидрогеля диаметром 1,0 см и длиной 3,0 см использовали для измерения механической прочности. Аналогичные процедуры позволили получить композиты PNIPAM с ZrO ₂ , пропитанным HEMA-, NIPAM-, BMA- и CHMA. Наполнители MARIMO.

Механическое испытание полимерных композитов на растяжение

Образцы испытывали на механическое растяжение в осевом направлении. Деформированная длина композита (деформация) и приложенная сила (напряжение) были измерены с помощью прибора для испытания на растяжение (AND MCT-2150 ) со скоростью ползуна 50 мм мин ⁻¹ при комнатной температуре. При испытаниях на растяжение всех композитных образцов относительное удлинение, равное 930%, является ограничением для машины для испытания на растяжение. Десять композитных образцов были использованы для испытания на механическое растяжение, и по крайней мере семь образцов были использованы для анализа данных. Следует отметить, что композиты, содержащие пузырьки, трещины от стекла и трещины от захвата машины для испытаний на растяжение, не были включены в анализ данных, чтобы гарантировать качество данных. Результаты представлены как среднее ± стандартное отклонение.

Методы характеристики

Сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) выполняли на микроскопе Hitachi SU8020 FE-SEM. Изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) получали на микроскопе JEOL JEM-2100F. Картирование STEM-EDX было выполнено в режиме светлого поля (BF) и выполнено на спектрометре Oxford INCA X-max 80 EDX. Рентгеновскую дифрактометрию (XRD) проводили на дифрактометре Rigaku SmartLab (Cu Kα-излучение, детектор D / teX Ultra 250). Изотермы адсорбции – десорбции азота получены на приборе BEL Japan Inc. Belsorp Mini (II). Удельные поверхности были рассчитаны с использованием метода Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ), а распределение пор по размерам - методом Барретта – Джойнера – Халенды (BJH). Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) была выполнена с помощью DSC7000X от Hitachi High-Tech Science Corporation при скорости сканирования 10 ° C мин ^-1 от 0 до 100 ° C в атмосфере азота за три сканирования. Эксклюзионную хроматографию (SEC) выполняли с использованием насоса JASCO PU-2080 Plus с двумя гелевыми колонками (KF-804L и KF-806L) и детектора RI-2031 Plus Intelligent RI в хлороформе, калиброванного по стандартам полистирола при 40 ° C. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье с диффузным отражением (DRIFTS) была выполнена на FT / IR-4600 от JASCO Corporation, и спектры были выполнены с преобразованием Кубелки-Мунка.

Результаты и обсуждение

Свойства поверхности ZrO ₂ МАРИМО

Физические свойства ZrO ₂ наполнители оценивали методами БЭТ, XRD и SEM. Справочный материал, коммерческий ZrO ₂ наночастицы, имели грубо агрегированную морфологию (рис. 2а, б) с удельной поверхностью 20 м ² г ⁻¹ (Таблица 1). И наоборот, ZrO ₂ MARIMO демонстрировала сферическую мезопористую морфологию (рис. 2c, d) с огромной удельной площадью поверхности (283 м ² г ⁻¹ ), что в 14 раз больше, чем у коммерческого ZrO ₂ наночастицы. Спеченный ZrO ₂ MARIMO, полученный нагреванием при 700 ° C в течение 3 часов на воздухе, показал низкую удельную поверхность 6 м ² . г ⁻¹ как и ожидалось (рис. 2д, е). Чрезвычайное уменьшение удельной поверхности указывает на то, что размер первичных частиц спеченного ZrO ₂ MARIMO был увеличен нагреванием, что было подтверждено оценкой размера первичных частиц по ширине пика XRD с использованием уравнения Шеррера и метода BJH из анализа изотермы адсорбции-десорбции азота (Таблица 1). Таким образом, крошечные первичные частицы в ZrO ₂ MARIMO принесла огромную площадь поверхности, а также пористую структуру с нановогнутой-выпуклой поверхностью. Следовательно, большое количество материалов будет взаимодействовать с нановогнутой-выпуклой поверхностью и порами ZrO ₂ МАРИМО.

SEM-изображения a малое увеличение и b большое увеличение имеющегося в продаже ZrO ₂ , c малое увеличение и d большое увеличение ZrO ₂ МАРИМО и е малое увеличение и f большое увеличение спеченного ZrO ₂ МАРИМО

DSC - мощный инструмент для демонстрации взаимодействия между ZrO ₂ поверхность наполнителя и органические молекулы посредством эндо- или экзотермических явлений [45]. До обесцвечивания поверхности ZrO ₂ Наполнители MARIMO на основе полимеров, мы выбрали мономер НИПАМ в качестве зондирующих молекул для исследования взаимодействия между ZrO ₂ поверхность наполнителя и молекулы органических зондов с помощью ДСК, поскольку температура плавления мономера НИПАМ чувствительна к кристалличности твердого вещества НИПАМ [46]. Если твердое тело НИПАМ внедрено в поры материалов-хозяев, его точка плавления сместится в сторону более низкой температуры, поскольку кристалличность встроенного твердого наноразмерного НИПАМ с наноразмером в порах материалов-хозяев может быть легко нарушена некоторым возмущением со стороны граничная поровая стенка.

Профили DSC самого НИПАМ, смеси коммерческого ZrO ₂ наночастицы и мономер НИПАМ (коммерческий ZrO ₂ / НИПАМ), смесь ZrO ₂ Мономер MARIMO и NIPAM (ZrO ₂ MARIMO / NIPAM) и смесь спеченного ZrO ₂ Мономер MARIMO и NIPAM (спеченный ZrO ₂ MARIMO / NIPAM) с другим ZrO ₂ Весовое соотношение / NIPAM показано на рис. S1, рис. S2 и рис. S3 соответственно. Сам мономер НИПАМ показал эндотермический пик, приписываемый его температуре плавления при 67,7 ° C. В случае коммерческого ZrO ₂ / NIPAM, простой постепенный сдвиг пика профилей DSC от 67,7 ° C (NIPAM) до 64,8 ° C наблюдался в соответствии с более высоким ZrO ₂ содержимое (Рис. S1, Таблица S1). Эндотермические пики при 64,8 ° C можно отнести к температуре плавления твердого NIPAM, находящегося между коммерческим ZrO ₂ первичные частицы.

Напротив, более высокие температурные сдвиги с 67,7 до 62,4 ° C были обнаружены в соответствии с более высоким значением ZrO ₂ Содержимое MARIMO до ZrO ₂ МАРИМО / НИПАМ =50/50 (мас.%) В случае ZrO ₂ МАРИМО / НИПАМ (рис. S2, таблица S1). Эти большие сдвиги ясно демонстрируют, что ZrO ₂ MARIMO оказывает некоторое положительное влияние на твердое состояние мономера NIPAM, внедренного в поры MARIMO, где больший сдвиг эндотермических пиков может соответствовать более сильному взаимодействию между ZrO ₂ поверхность наполнителя и мономер НИПАМ. Однако эндотермические пики были смещены в противоположном направлении по сравнению с более высокой температурой 65,2 ° C на ZrO ₂ Соотношение / НИПАМ составляет от 50/50 до 80/20 (мас.%). Трудно выдвинуть окончательное обсуждение, но эндотермические пики при 62,4 и 65,2 ° C могут быть приписаны температурам плавления твердого NIPAM с заделанными глубокими порами и большим количеством мелких пор в ZrO ₂ МАРИМО соответственно. Что касается спеченного ZrO ₂ MARIMO / NIPAM с гладкой поверхностью, довольно похожие простые более низкие температурные сдвиги эндотермических пиков были показаны пропорционально спеченному ZrO ₂ Содержание MARIMO (рис. S3, таблица S1) аналогично результатам для коммерческого ZrO ₂ / НИПАМ на рис. S1.

Таким образом, положительное взаимодействие, обнаруженное между ZrO ₂ Мономеры MARIMO и NIPAM были бы полезны для деколляции полимера на ZrO ₂ Поверхность MARIMO.

Приготовление гидрогелей PNIPAM с ZrO ₂ Наполнители

Чтобы оценить влияние структуры поверхности ZrO ₂ наполнители, кроме того, гидрогели PNIPAM с ZrO ₂ Наполнители были выбраны, поскольку прочность гидрогелей ПНИПАМ чувствительна к свойствам наполнителей. Гидрогели PNIPAM были приготовлены из водных растворов, содержащих различные количества (20, 25 и 30 мас.%) NIPAM, KPS в качестве радикального инициатора и TMEDA. Когда гель, полученный из 20 мас.% NIPAM, оставляли при комнатной температуре, он превращался в золь в течение 60 минут (рис. S4a). Напротив, структурная деформация формы гидрогеля не наблюдалась для гелей, полученных из 25 и 30 мас.% Растворов НИПАМ (рис. S4b – c). Напряжение и деформация составляли 2,7 ± 0,2 кПа и более 930% для 25 мас.% Гидрогелей PNIPAM и 7,8 ± 0,2 кПа и 716 ± 106% для 30 мас.% Гидрогелей PNIPAM, соответственно (рис. S5 и таблица S2). Затем мы выбрали более сильный 30 мас.% Гидрогеля PNIPAM в качестве полимерной матрицы, чтобы оценить влияние ZrO ₂ наполнители.

ZrO ₂ Затем содержание наполнителя в гидрогелях PNIPAM было оптимизировано путем изменения количества коммерческого ZrO ₂ наполнитель (0,002 (2a), 0,02 (2b) и 0,04 мас.% (2c)) в 30 мас.% гидрогеля PNIPAM. Следовательно, композит 2a показал самую высокую прочность на разрыв (9,5 ± 0,7 кПа), а композит 2b показал самое высокое удлинение (902 ± 28%) среди всех композитов (рис. S6 и таблица S3). По этим результатам трудно судить, какой из них (высокая прочность на разрыв или большое удлинение) подходит для количества наполнителя для получения полимерного гидрогеля. Затем были рассчитаны площади профиля, чтобы оценить, сколько работы потребовалось для разрушения этих композитов. Следовательно, композит 2b показал самую высокую работоспособность среди всех композитов (Таблица S3).

Таким образом, условия 30 мас.% НИПАМ и 0,02 мас.% ZrO ₂ наполнитель фиксировался на протяжении экспериментов.

Испытания полимерных композитов на механическое растяжение

Механическая прочность на растяжение, полученная из кривых "напряжение-деформация", показана на рис. 3. Максимальное напряжение и деформация каждого композита, оцененные в результате испытаний на механическое растяжение, сведены в таблицу 2. Влияние морфологии поверхности ZrO ₂ наполнитель на полимерных композитах может быть определен путем измерения прочности на разрыв [41,42,43] композитов, приготовленных с коммерческим ZrO ₂ (2b), с нановогнутым выпуклым ZrO ₂ MARIMO (3), со спеченным ZrO ₂ МАРИМО (4) с гладкой поверхностью. В результате композит 3, содержащий MARIMO, с нановогнуто-выпуклой поверхностью показал самый высокий предел прочности при растяжении (9,2 ± 0,2 кПа) и самое низкое удлинение (746 ± 37%). Однако композит 4, содержащий спеченный MARIMO с гладкой поверхностью, показал низкую прочность на разрыв 6,6 ± 0,3 кПа. Удлинение 2b (902 ± 28%) и 4 (903 ± 19%) было практически одинаковым. Как правило, закрепляющий эффект поверхности наполнителя на полимерные цепи и проскальзывание полимерных цепей можно оценить по максимальному напряжению и максимальной деформации, соответственно, полученным при испытании на механическое растяжение [47]. Полученные результаты ясно показывают, что нановогнутая-выпуклая поверхность играла критическую роль в прочности на разрыв полимерных композитов, как и ожидалось, что может быть эффектом закрепления между нановогнутой-выпуклой поверхностью и полимерными цепями в полимерных композитах. . Чтобы узнать микроструктуру и распределение ZrO ₂ наполнители, мы использовали лиофилизированные полимерные композиты для прямого наблюдения с помощью СЭМ. В результате мы подтвердили однородную полимерную сетку гидрогеля, но отсутствие агломерации или агломерации ZrO ₂ наполнителей (рис. S7).

Кривые растяжения для гидрогелевых композитов с 30 мас.% ПНИПАМ с 0,02 мас.% ZrO ₂ наполнители. Композиты с 0,02 мас.% Технического ZrO ₂ (2b), с 0,02 мас.% Нановогнуто-выпуклой поверхности ZrO ₂ MARIMO (3) и с 0,02 мас.% Спеченного ZrO ₂ МАРИМО (4)

Влияние свойств поверхности ZrO, импрегнированного полимером ₂ МАРИМО

Завершить систематическое исследование взаимосвязи между нановогнутыми и выпуклыми поверхностями ZrO ₂ Наполнитель и полимерные цепи MARIMO, мы модифицировали ZrO ₂ Наполнитель MARIMO с пропиткой полимером для маскировки нано-вогнуто-выпуклой поверхности. Здесь мы выбрали виниловые мономеры, такие как HEMA, NIPAM, BMA и CHMA, для пропитки пор ZrO ₂ МАРИМО. Полимеризация пропитанных мономеров в ZrO ₂ MARIMO был получен УФ-облучением в присутствии фотоинициатора (HCPK). Ход полимеризации проверяли с помощью SEC супернатанта пропитанного ZrO ₂ Дисперсия MARIMO / хлороформ (Таблица S4). Все образцы имели молекулярную массу около 1000. В экспериментах DRIFTS нет значимого пика, указывающего на взаимодействие между полимером и ZrO ₂ МАРИМО (Рис. S8). В этом смысле мы изучили анализ SEM и STEM-EDX для подтверждения пропитки. Как показано на рис. 4, сферическая морфология MARIMO сохранялась даже после пропитки. Анализ STEM-EDX (рис. 5) ясно показывает, что атомы Zr, C, O и (N) были однородно распределены по всему ZrO ₂ Наполнители MARIMO. Эти результаты показывают, что мономеры были равномерно пропитаны и полимеризованы в нанополостях и порах MARIMO.

SEM-изображения a ZrO ₂ , пропитанный HEMA МАРИМО, б ZrO ₂ , пропитанный НИПАМ МАРИМО, c ZrO ₂ , пропитанный BMA МАРИМО и d ZrO ₂ , пропитанный CHMA МАРИМО

Картографические изображения TEM и STEM-EDX a ZrO ₂ , пропитанный HEMA МАРИМО, б ZrO ₂ , пропитанный НИПАМ МАРИМО, c ZrO ₂ , пропитанный BMA МАРИМО и d ZrO ₂ , пропитанный CHMA МАРИМО

Испытания полимерных композитов на механическое растяжение

Наличие закрепляющего эффекта нановогнуто-выпуклой поверхности ZrO ₂ MARIMO была изучена посредством механических испытаний на растяжение. Полимерные композиты с пропитанным HEMA ZrO ₂ MARIMO (5), с пропитанным НИПАМ ZrO ₂ MARIMO (6), с пропитанным БМА ZrO ₂ MARIMO (7) и с ZrO ₂ , пропитанным CHMA MARIMO (8) были приготовлены в соответствии с процедурами, аналогичными процедурам, используемым для композитов 2b, 3 и 4. Как показывают значения механической прочности на растяжение, полученные из кривых напряжение-деформация на рис. 6, все композиты 5–8 с пропиткой виниловым полимером ZrO ₂ Наполнители MARIMO показали более низкую прочность на разрыв по сравнению с композитом 3 с нановогнутым выпуклым ZrO ₂ Наполнитель MARIMO (Таблица 3), что свидетельствует о снижении закрепляющего эффекта поверхности во всех случаях ZrO ₂ , импрегнированного полимером. Наполнители MARIMO. Вместо этого более высокое удлинение всех композитов 5–8 с пропитанным полимером ZrO ₂ Четко наблюдались наполнители MARIMO, что можно объяснить проскальзыванием цепей матричного полимера на пропитанных полимером поверхностях наполнителя MARIMO. Таким образом, пропитанный полимером ZrO ₂ Наполнители MARIMO в полимерных композитах вызывали более низкую прочность на разрыв и улучшенную способность композитов к удлинению. Переходя к прототипу ZrO ₂ MARIMO, нановогнутая-выпуклая поверхность сыграла положительную роль в прочности на разрыв полимерных композитов.

Кривые растягивающее напряжение-деформация для 30 мас.% Гидрогелевых композитов PNIPAM с 0,02 мас.% Нановогнуто-выпуклой поверхности ZrO ₂ MARIMO (3), с 0,02 мас.% ZrO ₂ , пропитанного HEMA MARIMO (5), с 0,02 мас.% ZrO ₂ , пропитанного НИПАМ MARIMO (6), с 0,02 мас.% ZrO ₂ , импрегнированного BMA MARIMO (7) и 0,02 мас.% ZrO ₂ , пропитанного CHMA. МАРИМО (8)

Заключение

Модификация поверхности ZrO ₂ Наполнитель MARIMO с нановогнутой выпуклой структурой показал важность наноразмерных закрепляющих взаимодействий между поверхностью наполнителя и цепями полимера матрицы посредством испытаний на механическое растяжение. Чтобы исследовать влияние нановогнутой выпуклой структуры, мы модифицировали ZrO ₂ Наполнитель MARIMO путем (i) прокаливания ZrO ₂ MARIMO для сглаживания нановогнутой выпуклой поверхности и (ii) пропитки полимеров ZrO ₂ Поры MARIMO для маскировки нано-вогнуто-выпуклой поверхности. Испытания на механическое растяжение применялись для оценки взаимодействия между поверхностью наполнителей и полимерными цепями в полимерных композитах. Полимерные композиты, содержащие нановогнуто-выпуклый ZrO ₂ Наполнитель MARIMO показал самую высокую прочность на разрыв, при пропитке полимером ZrO ₂ Наполнители MARIMO вызвали большое удлинение. Таким образом, нановогнуто-выпуклая поверхность ZrO ₂ Наполнитель MARIMO положительно взаимодействует с матричными полимерными цепями для повышения прочности на разрыв, в то время как полимер маскирует нановогнутую-выпуклую поверхность ZrO ₂ Наполнители MARIMO улучшили способность к удлинению. Следовательно, рациональный дизайн поверхности наполнителя позволил нам понять наноразмерное взаимодействие поверхности наполнителя с полимерной матрицей с помощью испытаний на механическое растяжение на макроуровне. Различные виды мономеров или полимеров, такие как ионные, гидрофильные и гидрофобные мономеры или полимеры, могут быть включены в наполнители MARIMO с помощью простой техники пропитки для регулирования свойств наполнителей MARIMO. Дальнейшие исследования лучшего диспергирования ZrO ₂ наполнитель в водную среду.

Доступность данных и материалов

Все соответствующие данные, подтверждающие выводы этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Сокращения

СТАВКА:

Брунауэр – Эммет – Теллер

BF:

Светлое поле

BJH:

Барретт – Джойнер – Халенда

BMA:

Бензилметакрилат

CHMA:

Циклогексилметакрилат

ДРИФТЫ:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье с диффузным отражением

DSC:

Дифференциальная сканирующая калориметрия

HCPK:

1-гидроксициклогексилфенилкетон

HEMA:

2-гидроксиэтилметакрилат

КПС:

Персульфат калия

МАРИМО:

Кругло-интегрированный оксид металла с микро / мезопорной архитектурой

NIPAM:

N -Изопропилакриламид

PNIPAM:

Поли ( N -изопропилакриламид)

SEC:

Эксклюзионная хроматография

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TMEDA:

N, N, N ', N' -тетраметилэтилендиамин

XRD:

Рентгеновская дифрактометрия

ZrO ₂ :

Цирконий