Ny produktionsteknik til højtydende polymer kunne give bedre rustning

Et team af forskere har fundet en ny måde at fremstille et polymermateriale kaldet PBO, et produkt kendt kommercielt som Zylon, der bruges i skudsikre veste og andre højtydende stoffer. Den nye tilgang kan være nyttig til at fremstille PBO-produkter, der modstår nedbrydning, et problem, der tidligere har plaget PBO-baserede materialer.

"Vi viser, at ved at bruge en nanopartikelkatalysator, vi kan producere PBO under mere miljøvenlige forhold og uden at bruge et kemikalie, der vides at få disse materialer til at nedbrydes uventet, " sagde Shouheng Sun, en professor i kemi ved Brown University og medforfatter til et nyt papir, der beskriver forskningen. "Vi tror, ​​at dette kunne være en vej mod at lave mere robuste PBO-materialer."

Forskningen er beskrevet i tidsskriftet Stof .

Den traditionelle måde at fremstille PBO på (dets fulde navn er polybenzoxazol) involverer brugen af ​​polyphosphorsyre (PPA) som både en katalysator for nødvendige kemiske reaktioner og som opløsningsmiddel. PPA er en stærk, stærkt ætsende syre og er blevet udpeget som kilden til PBO-nedbrydning. Syrens molekyler sætter sig fast i polymerkæden, efterlader fibrene modtagelige for nedbrydning, når de udsættes for lys og fugt over tid. Den nedbrydning har ført til tilbagekaldelsen af ​​PBO-baserede panser i fortiden.

Suns laboratorium i Brown har arbejdet indgående med sammensatte nanopartikelkatalysatorer, der er i stand til at udføre de nye reaktioner, der kræves for at lave PBO, og de gør det uden at bruge PPA. At katalysere reaktionerne med nanopartikler ville også kræve mindre energi og kan udføres ved at bruge fornybar myresyre som brintkilde. Alt dette gør produktionsprocessen grønnere.

Indtil nu, imidlertid, sammensatte nanopartikelkatalysatorer er stort set blevet brugt til kun at lave små organiske molekyler. Uanset om en sammensat katalysator, som i dette tilfælde er lavet af partikler af guld og palladiumlegeringer, kunne bruges til at katalysere den kontrollerede vækst af polymerkæder var tidligere ukendt.

"Nøglespørgsmålet, vi forsøgte at besvare, er, om vi kan kontrollere reaktionerne, så vi får en god kontrol med graden af ​​polymerisation, " sagde Sun. "Vi viste i sidste ende, at vi kunne gøre det ved at justere sammensætningen og størrelsen af ​​legeringsnanopartiklerne i vores katalysator."

En legeringssammensætning på tæt på 40 procent guld og 60 procent palladium viste sig at være optimal til at kontrollere hastigheden af ​​reaktioner, der er nødvendige for at fremstille PBO. Partikler omkring 8 nanometer i størrelse producerede en reaktionshastighed, der maksimerede molekylvægten af ​​PBO-polymererne.

For at finde ud af, om PBO'en faktisk var modstandsdygtig over for nedbrydning, holdet arbejdede sammen med forskere fra Brown's School of Engineering for at udføre mekanisk test. Disse test viste, at PBO-polymererne fremstillet med nanopartikelkatalysatoren var mere modstandsdygtige over for nedbrydning end kommercielt tilgængelige Zylon - selv efter at have været kogt i vand og syre i dagevis.

Forskerne siger, at det fremtidige arbejde vil fokusere på at generere PBO-polymerer med højere molekylvægte. De polymerer, der blev genereret til denne undersøgelse, var betydeligt lettere end dem af det kommercielle produkt, hvilket begrænser deres oprindelige mekaniske styrke. Stadig, siger forskerne, værket er et stærkt proof-of-concept for ideen om, at sammensatte nanopartikler kan producere nedbrydningsbestandigt PBO.

Jerome Robinson, en assisterende professor i kemi ved Brown og en studie medforfatter, bemærkede, at Browns forskerteams forskelligartede ekspertise var afgørende for dette arbejdes succes.

"Det var virkelig vigtigt, at vi var i stand til at samarbejde med ingeniører og andre forskere, " sagde Robinson. "At være i stand til at gå på tværs af gaden til School of Engineering og lave den mekaniske test var fantastisk, og jeg tror, ​​vi har det rigtige hold til at føre denne forskning videre."