WikiDer > Полимерный нанокомпозит

Polymer nanocomposite

Полимерные нанокомпозиты (PNC) состоит из полимер или сополимер имея наночастицы или нанонаполнители, диспергированные в полимерной матрице. Они могут иметь различную форму (например, пластинки, волокна, сфероиды), но по крайней мере один размер должен находиться в диапазоне 1–50 нм.[1]. Эти PNC относятся к категории многофазных систем (MPS, а именно смесей, композитов и пен), которые потребляют почти 95% производимых пластмасс. Эти системы требуют контролируемого смешивания / компаундирования, стабилизации достигнутой дисперсии, ориентации дисперсная фаза, и стратегии сложения для всех MPS, включая PNC, аналогичны. В качестве альтернативы, полимер можно пропитать в преформы 1D, 2D, 3D, создавая полимерные нанокомпозиты с высоким содержанием.[2]

Полимерная нанонаука - это исследование и применение нанонауки к матрицам полимер-наночастица, где наночастицы - это частицы с хотя бы одним размером менее 100 нм.

Переход от микрочастиц к наночастицам приводит к изменению его физических, а также химических свойств. Двумя основными факторами при этом являются увеличение отношения площади поверхности к объему и размер частицы. Увеличение отношения площади поверхности к объему, которое увеличивается по мере уменьшения размера частиц, приводит к возрастающему преобладанию поведения атомов на площади поверхности частицы над поведением атомов внутри частицы. Это влияет на свойства частиц, когда они реагируют с другими частицами. Из-за большей площади поверхности наночастиц взаимодействие с другими частицами в смеси больше, и это увеличивает прочность, термостойкость и т.д., и многие факторы действительно меняются для смеси.

Примером нанополимера является кремниевые наносферы которые показывают совершенно разные характеристики; их размер составляет 40–100 нм, и они намного тверже кремния, их твердость находится между сапфиром и алмазом.

Био-гибридные полимерные нановолокна

Многие технические применения биологических объектов, таких как белки, вирусы или бактерии, такие как хроматография, оптические информационные технологии, сенсорика, катализ и доставка лекарств, требуют их иммобилизации. Для этого используются углеродные нанотрубки, частицы золота и синтетические полимеры. Эта иммобилизация была достигнута преимущественно за счет адсорбции или химического связывания и, в меньшей степени, за счет включения этих объектов в качестве гостей в матрицы хозяина. В гостевых системах хозяина должен быть идеальный метод иммобилизации биологических объектов и их интеграции в иерархические архитектуры. структурированы на наномасштабе для облегчения взаимодействия биологических нанообъектов с окружающей их средой. Благодаря большому количеству доступных природных или синтетических полимеров и передовым технологиям, разработанным для переработки таких систем в нановолокна, стержни, трубки и т. д., полимеры являются хорошей платформой для иммобилизации биологических объектов.[3]

Биогибридные нановолокна методом электроспиннинга

Полимерные волокна, как правило, производятся в техническом масштабе путем экструзии, т.е. расплав полимера или раствор полимера прокачивают через цилиндрические фильеры и прядут / вытягивают с помощью приемного устройства. Получающиеся волокна обычно имеют диаметр в диапазоне 10 мкм или выше. Чтобы уменьшить диаметр в диапазоне от нескольких сотен нанометров или даже до нескольких нанометров, Электропрядение сегодня по-прежнему является ведущей технологией обработки полимеров. Сильный электрическое поле порядка 103 В / см прикладывают к каплям раствора полимера, выходящим из цилиндрической фильеры. Электрические заряды, которые накапливаются на поверхности капли, вызывают деформацию капли вдоль направления поля, даже если поверхностное натяжение противодействует выделению капель. В сверхкритических электрических полях напряженность поля превышает поверхностное натяжение, и струя жидкости исходит из кончика капли. Струя ускоряется к противоэлектроду. Во время этой фазы транспортировки струя подвергается сильным электрически управляемым круговым изгибающим движениям, которые вызывают сильное удлинение и истончение струи, испарение растворителя, пока, наконец, твердое нановолокно не осаждается на противоэлектроде.

Биогибридные полимерные нанотрубки путем смачивания

Электропрядение, со-электроспиннинг и темплатные методы, основанные на нановолокнах, позволяют получать нанообъекты, которые в принципе имеют бесконечно большую длину. Эта бесконечная длина является преимуществом для широкого спектра применений, включая катализ, тканевую инженерию и модификацию поверхности имплантатов. Но в некоторых приложениях, таких как ингаляционная терапия или системная доставка лекарств, требуется четко определенная длина. Шаблонный метод, который будет описан ниже, имеет то преимущество, что он позволяет получать нанотрубки и наностержни с очень высокой точностью. Метод основан на использовании четко определенных пористых шаблонов, таких как пористый алюминий или кремний.

Основная идея этого метода - использовать процессы смачивания. Расплав или раствор полимера вводят в контакт с порами, расположенными в материалах, характеризующихся высокоэнергетическими поверхностями, такими как алюминий или кремний. Смачивание наступает и покрывает стенки пор тонкой пленкой толщиной порядка нескольких десятков нанометров.

Гравитация не играет роли, что очевидно из того факта, что смачивание происходит независимо от ориентации пор относительно направления силы тяжести. Точный процесс до сих пор не изучен теоретически в деталях, но из экспериментов известно, что системы с низкой молярной массой имеют тенденцию полностью заполнять поры, тогда как полимеры с достаточной длиной цепи просто покрывают стенки. Этот процесс обычно происходит в течение минуты при температурах примерно на 50 К выше температуры плавления или температуры стеклования, даже для высоковязких полимеров, таких как, например, политетрафторэтилен, и это справедливо даже для пор с соотношением сторон до 10 000. С другой стороны, полное заполнение занимает несколько дней. Для получения нанотрубок систему полимер / шаблон охлаждают до комнатной температуры или растворитель выпаривают, в результате чего поры покрываются твердыми слоями. Полученные трубки могут быть удалены с помощью механических усилий для трубок длиной до 10 мкм, т.е. простым вытягиванием их из пор или выборочным растворением шаблона. Диаметр нанотрубок, распределение диаметров, однородность вдоль трубок и длины можно контролировать.

Приложения

Производимые нановолокна, полые нановолокна, нановолокна ядро-оболочка и наностержни или нанотрубки имеют большой потенциал для широкого спектра применений, включая гомогенный и гетерогенный катализ, сенсорику, фильтрацию и оптоэлектронику. Здесь мы просто рассмотрим ограниченный набор приложений, связанных с наукой о жизни.

Тканевая инженерия

В основном это касается замены ткани которые были уничтожены болезнью, несчастными случаями или другими искусственными средствами. Примерами являются кожа, кости, хрящи, кровеносные сосуды и могут быть даже органы. Этот метод включает создание каркаса, на который добавляются клетки, и каркас должен обеспечивать благоприятные условия для их роста. Было обнаружено, что нановолокна обеспечивают очень хорошие условия для роста таких клеток, одна из причин заключается в том, что во многих тканях можно найти фибриллярные структуры, которые позволяют клеткам прочно прикрепляться к волокнам и расти вдоль них, как показано.

Наночастицы, такие как графен,[4] углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама используются в качестве усиливающих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу при низких концентрациях (~ 0,2 мас.%) Приводит к значительному улучшению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе.[5][6] Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы для создания новых, механически прочных и легких композитных костных имплантатов. Результаты показывают, что механическое усиление зависит от морфологии наноструктуры, дефектов, дисперсии наноматериалов в полимерной матрице и плотности сшивки полимера. В общем, двумерные наноструктуры могут усиливать полимер лучше, чем одномерные наноструктуры, а неорганические наноматериалы являются более сильными усиливающими агентами, чем наноматериалы на основе углерода.

Доставка из секционированных нанотрубок

Нанотрубки также используются для переноски лекарств в общей терапии и, в частности, для лечения опухолей. Их роль заключается в защите лекарств от разрушения в кровотоке, в контроле доставки с четко определенной кинетикой высвобождения и, в идеальных случаях, в обеспечении свойств нацеливания на вектор или механизма высвобождения под действием внешних или внутренних стимулов.

Стержневые или трубчатые, а не почти сферические наноносители могут иметь дополнительные преимущества с точки зрения систем доставки лекарств. Такие частицы носителя лекарственного средства обладают дополнительным выбором осевое отношение, кривизна и «Всестороннее» вращение, связанное с гидродинамикой, и они могут быть химически модифицированы на внутренней поверхности, внешней поверхности и на торцевых плоскостях очень избирательным образом. Нанотрубки, изготовленные с реагирующим полимером, прикрепленным к отверстию трубки, позволяют контролировать доступ к трубке и высвобождение из нее. Кроме того, можно получить нанотрубки, имеющие градиент химического состава по длине трубки.

Прокомментировал системы выпуска лекарств были изготовлены на основе нанотрубок или нановолокон. Нанотрубки и нановолокна, например, которые содержали флуоресцентный альбумин с собачьим изотиоцианатом флуоресцеина, были приготовлены в качестве модельного лекарства, а также суперпарамагнитные наночастицы, состоящие из оксида железа или феррита никеля. Присутствие магнитных наночастиц позволило, прежде всего, направить нанотрубки в определенные места в теле с помощью внешних магнитных полей. Супер парамагнитный частицы как известно, демонстрируют сильное взаимодействие с внешними магнитными полями, приводящее к большим намагниченностям насыщения. Кроме того, при использовании периодически изменяющихся магнитных полей наночастицы нагревали, чтобы обеспечить, таким образом, спусковой механизм для высвобождения лекарства. Присутствие модельного лекарства было установлено с помощью флуоресцентной спектроскопии, и то же самое справедливо для анализа модельного лекарства, высвобожденного из нанотрубок.

Иммобилизация белков

Волокна с сердцевиной оболочки из наночастиц с жидкими сердцевинами и твердыми оболочками могут использоваться для захвата биологических объектов, таких как белки, вирусы или бактерии, в условиях, которые не влияют на их функции. Этот эффект может быть использован среди прочего для биосенсорных приложений. Например, зеленый флуоресцентный белок иммобилизован в наноструктурированных волокнах, обеспечивая большую площадь поверхности и короткие расстояния для аналита, чтобы приблизиться к сенсорному белку.

Что касается использования таких волокон для датчик Приложения флуоресценция Было обнаружено, что волокна сердцевины и оболочки быстро разлагаются, когда волокна погружаются в раствор, содержащий мочевину: мочевина проникает через стенку в сердцевину, где вызывает денатурацию GFP. Этот простой эксперимент показывает, что волокна ядро-оболочка являются перспективными объектами для создания биосенсоров на основе биологических объектов.

Полимерные наноструктурированные волокна, волокна сердцевина-оболочка, полые волокна, наностержни и нанотрубки обеспечивают платформу для широкого спектра применений как в материаловедении, так и в науках о жизни. Биологические объекты разной сложности и синтетические объекты, несущие определенные функции, могут быть включены в такие наноструктурированные полимерные системы, сохраняя при этом жизненно важные их специфические функции. Биосенсоры, тканевая инженерия, доставка лекарств или ферментативный катализ - лишь некоторые из возможных примеров. Инкорпорация вирусов и бактерий вплоть до микроорганизмов не должна представлять проблемы, а применение таких биогибридных систем должно быть огромным.[7]

Инженерные приложения

Полимерные нанокомпозиты для автомобильной шинной промышленности

Полимерные нанокомпозиты важны для автомобильной шинной промышленности из-за возможности достижения более высокой топливной эффективности за счет разработки полимерных нанокомпозитов с подходящими свойствами.[8]

Самый распространенный вид частицы наполнителя в шинной промышленности традиционно Угольно черный (Cb), образуется в результате неполного сгорания каменноугольной смолы и этилена.[9] Основная причина заключается в том, что добавление Cb к каучукам позволяет изготавливать шины меньшего размера. сопротивление качению на долю которого приходится около 4% мирового CO2 выбросы от ископаемого топлива.[10] Ожидается, что уменьшение сопротивления качению автомобильных шин, производимых во всем мире, приведет к снижению общего расхода топлива автомобилями из-за того, что транспортное средство с шинами с меньшим сопротивлением качению требует меньше энергии для тяги вперед. Однако меньшее сопротивление качению также приводит к более низким характеристикам сцепления на мокрой дороге, что создает проблемы для безопасности пассажира.

Частично проблему можно решить, заменив Cb на кремнезем, потому что он позволяет производить «зеленые» шины, которые демонстрируют как улучшенные сцепление на мокрой дороге свойства, а также меньшее сопротивление качению.[11]

Основное различие в соответствующих свойствах Cb и диоксида кремния состоит в том, что Cb гидрофобен (как и полимеры, используемые при производстве автомобилей), тогда как диоксид кремния является гидрофильным. Таким образом, чтобы повысить совместимость кремнеземных наполнителей и полимерной матрицы, кремнезем обычнофункционализированный со связующими агентами, что дает возможность настраивать взаимодействия наполнитель-полимер и, таким образом, создавать нанокомпозиты со специфическими свойствами.[12]

В целом, основным нерешенным вопросом о механических свойствах наполненных каучуков является выяснение точного механизма их механического воздействия. подкрепление и так называемого Эффект Пейна; и из-за отсутствия подходящих теоретических и экспериментальных подходов оба они все еще плохо изучены.

Полимерные нанокомпозиты для высокотемпературных применений

Было обнаружено, что полимерные нанокомпозиты с углеродными квантовыми точками демонстрируют замечательную термостойкость. [13] Эти нанокомпозиты могут использоваться в средах, где требуется термостойкость.

Влияние размера и давления на нанополимеры

В зависимости от размера и давления температуры стеклования отдельно стоящих пленок или поддерживаемых пленок, слабо взаимодействующих с субстраты уменьшается с уменьшением давления и размера. Однако температура стеклования нанесенных пленок, сильно взаимодействующих с подложками, увеличивает давление и уменьшает размер. Различные модели, такие как двухслойная модель, трехслойная модель, Tг (D, 0) ∝ 1 / D и некоторые другие модели, связывающие теплоемкость, плотность и тепловое расширение, используются для получения экспериментальных результатов по нанополимерам и даже некоторых наблюдений, таких как замораживание пленок из-за эффектов памяти в вязкоупругих собственных моделях пленки, и наблюдаются конечные эффекты стекол малых молекул. Чтобы описать Tг (D, 0) функция полимеров в более общем плане, недавно была предоставлена ​​простая и унифицированная модель, основанная на зависимости температуры плавления кристаллов от размера и критерия Линдемана.

Тг (D, 0) / Тг (∞, 0) ∝ σг2 (∞, 0) / σг2 (D, 0)

где σг это корень среднеквадратичное смещение поверхности и интерьера молекулы очков в Tг (D, 0), α = σs2 (D, 0) / σv2 (D, 0) с индексами s и v обозначающие поверхность и объем соответственно. Для наночастицы D имеет обычное значение диаметра, для нанопроволоки D принимается за ее диаметр, а для тонкой пленки D обозначает ее толщину. D0 обозначает критический диаметр, при котором все молекулы низкоразмерного стекла расположены на его поверхности.[14]

Заключение

Устройства, использующие свойства низкоразмерных объектов, таких как наночастицы, являются многообещающими из-за возможности адаптации ряда механический, электрофизические, оптические и магнитные свойства, дающие некоторую степень контроля над размером наночастиц во время синтеза. В случае полимерных нанокомпозитов можно использовать свойства неупорядоченных систем.

Здесь были рассмотрены последние разработки в области полимерных нанокомпозитов и некоторых их приложений. Хотя в этой области много пользы, существует также много ограничений. Например, высвобождение лекарств с использованием нановолокон не может контролироваться независимо, и обычно имеет место импульсное высвобождение, тогда как требуется более линейное высвобождение. Давайте теперь рассмотрим будущие аспекты в этой области.

Существует возможность построения упорядоченных массивов наночастиц в полимерной матрице. Также существует ряд возможностей для производства печатных плат из нанокомпозитов. Существует еще более привлекательный метод использования полимерных нанокомпозитов для приложений нейронных сетей. Еще одно перспективное направление развития - оптоэлектроника и оптические вычисления. Однодоменная природа и суперпарамагнитное поведение наночастиц, содержащих ферромагнитные металлы, возможно, могут быть использованы для производства магнитооптических носителей информации.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Что такое полимерные нанокомпозиты?». Ковентивные композиты. 2020-09-09.
  2. ^ Харито С., Бавыкин Д.В., Юлиарто Б., Дипохоно Х.К., Уолш ФК (2019). «Полимерные нанокомпозиты с высоким содержанием наполнителя: синтез, структура, свойства и применение» (PDF). Наномасштаб. 11 (11): 4653–4682. Дои:10.1039 / C9NR00117D. PMID 30840003.
  3. ^ Greiner A, Wendorff JH, Yarin AL, Zussman E (июль 2006 г.). «Биогибридные наносистемы с полимерными нановолокнами и нанотрубками». Прикладная микробиология и биотехнология. 71 (4): 387–93. Дои:10.1007 / s00253-006-0356-z. PMID 16767464.
  4. ^ Rafiee, M.A .; и другие. (3 декабря 2009 г.). «Повышенные механические свойства нанокомпозитов при низком содержании графена». САУ Нано. 3 (12): 3884–3890. Дои:10.1021 / nn9010472. PMID 19957928.
  5. ^ Лалвани Г., Хенсли А.М., Фаршид Б. и др. (Март 2013 г.). «Биоразлагаемые полимерные нанокомпозиты, усиленные двумерными наноструктурами, для инженерии костной ткани». Биомакромолекулы. 14 (3): 900–9. Дои:10.1021 / BM301995s. ЧВК 3601907. PMID 23405887.
  6. ^ Лалвани Г., Хенсли А.М., Фаршид Б. и др. (Сентябрь 2013). «Биоразлагаемые полимеры, армированные нанотрубками из дисульфида вольфрама, для инженерии костной ткани». Acta Biomaterialia. 9 (9): 8365–73. Дои:10.1016 / j.actbio.2013.05.018. ЧВК 3732565. PMID 23727293.
  7. ^ Годовский, Д. Ю. (2000). «Аппаратное применение полимер-нанокомпозитов». In Chang, J. Y. (ред.). Биополимеры · Гидрогели ПВС, нанокомпозиты анионной полимеризации. Достижения в науке о полимерах. 153. С. 163–205. Дои:10.1007 / 3-540-46414-X_4. ISBN 978-3-540-67313-2.
  8. ^ Майерс, доктор Эндрю (30 декабря 2005 г.). «Итоговый научный отчет -» Повышенная топливная эффективность за счет нанокомпозитного протектора шины"". Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  9. ^ Даврис, Теодорос (2017). Крупнозернистое молекулярно-динамическое моделирование сегментарного движения и механических свойств в полимерных пленках и нанокомпозитах (PDF). Эйндховен: Технический университет Эйндховена. ISBN 978-94-028-0480-5.
  10. ^ Чу, Стивен; Маджумдар, Арун (август 2012 г.). «Возможности и вызовы для устойчивого энергетического будущего». Природа. 488 (7411): 294–303. Bibcode:2012Натура.488..294C. Дои:10.1038 / природа11475. ISSN 1476-4687. PMID 22895334.
  11. ^ Холмберг, Кеннет; Андерссон, Питер; Эрдемир, Али (2012). «Глобальное потребление энергии из-за трения в легковых автомобилях». Tribology International. 47: 221–234. Дои:10.1016 / j.triboint.2011.11.022.
  12. ^ Glomann, T .; Schneider, G.J .; Allgaier, J .; Radulescu, A .; Lohstroh, W .; Farago, B .; Рихтер, Д. (23 апреля 2013 г.). «Микроскопическая динамика цепей полиэтиленгликоля, взаимодействующих с наночастицами кремнезема». Письма с физическими проверками. 110 (17): 178001. Bibcode:2013ПхРвЛ.110q8001Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.178001. PMID 23679781.
  13. ^ Римал, Вишал; Шишодиа, Шубхам; Шривастава, П. (2020). «Новый синтез высокотемпературных углеродных точек и нанокомпозитов из олеиновой кислоты как органического субстрата». Прикладная нанонаука: 455–464. Дои:10.1007 / s13204-019-01178-z.
  14. ^ Lang, X.Y .; Zhang, G.H .; Lian, J.S .; Цзян, К. (2006). «Влияние размера и давления на температуру стеклования тонких пленок из полиметилметакрилата». Тонкие твердые пленки. 497 (1–2): 333–7. Bibcode:2006TSF ... 497..333л. Дои:10.1016 / j.tsf.2005.10.001.