Ny tilgang til ridsefasthed:Forbedring af belægninger med polymerbaserede nanokompositmaterialer

En ny måde at analysere, hvordan belægninger af små partikler ændrer egenskaberne af gennemsigtig plast, kunne hjælpe forskere med at skabe lette vinduer med næsten glasstyrken. Den samme metode kan også føre til høj styrke, ridsefaste belægninger, der kan påføres mange forskellige materialer, ifølge MIT -forskerne, der udviklede analysen.

Analysen brugte en polymer kaldet poly(methylmethacrylat), eller PMMA, som er meget brugt som glaserstatning. Kendt generisk som akryl, og sælges under varemærker som Lucite eller Plexiglas, dette materiale kan være skørt og er langt mindre modstandsdygtigt over for ridser end glas.

Andre forskere har tilføjet silicapartikler, der kun måler nanometer til PMMA, skabe en polymer-partikel nanokomposit med meget større styrke. Men MIT-holdet, for første gang, har fundet en måde at analysere partikel-polymer-interaktionerne af sådanne belægninger på nanoskala, som kunne lette opdagelsen af ​​forbedrede belægninger. Deres arbejde blev rapporteret i juli i tidsskriftet Blødt stof .

Analysen blev udført af Meng Qu, en postdoc i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik, sammen med lektor i materialevidenskab og teknik Krystyn Van Vliet og flere forskere ved DuPont Nanocomposite Technologies i Delaware. Arbejdet blev delvist finansieret af DuPont-MIT Alliance.

Silicapartikler blev brugt til belægningen, fordi de er gennemsigtige, så det færdige materiale bevarer sin gennemsigtighed. Men silica og akryl er ikke kompatible, som normalt ville forårsage sammenklumpning af de små silicakorn - som kun måler omkring 10 til 20 nanometer på tværs, eller omkring en ti tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. For at overkomme dette, silica blev behandlet med andre "funktionelle grupper" af molekyler, ændrer dens overfladekemi, så den fordeler sig jævnt på polymeroverfladen.

Derefter, forskerne opvarmede polymeren for at blødgøre den lidt, og brugte et atomkraftmikroskop til at observere partiklerne, mens de langsomt sank ned i overfladen. Sådanne observationer af dynamikken i processen var aldrig blevet udført før, giver MIT-teamet mulighed for at se, hvor hurtigt partiklerne synker ind og bestemme præcis, hvordan de interagerer med polymeren.

De resulterende data gjorde det muligt for teamet at finde ud af de optimale belægningsmaterialer og partikeldensiteter til at styrke polymeroverfladen, muliggør stærkere vindueserstatninger. Arbejdet kan også føre til spray-on ridsefaste belægninger til alt fra biler til mobiltelefoner, Qu siger. "Enhver overflade, der kræver belægning" er potentielt en kandidat til en sådan behandling, hun siger. "Vi demonstrerede, at det øger stivheden ved at lægge en lille mængde partikler på overfladen."

Arbejdet kan også gøre en forskel i mange nuværende anvendelser af PMMA, såsom vinduerne, der bruges i akvarietanke. På nuværende tidspunkt, sådanne vinduer er lavet meget tykke for at modstå det enorme vandtryk i store tanke. Men hvis materialet er stærkere, vinduerne kunne gøres tyndere og lettere, og derfor billigere, Qu siger.

Mark VanLandingham, chef for Materials Response and Design Branch ved U.S. Army Research Laboratory i Adelphi, Md., siger, at der har været meget forskningsaktivitet inden for polymer nanokompositter, men dette nye arbejde giver en unik tilgang til at studere de grundlæggende kemiske og fysiske egenskaber af sådanne materialer. "Der har været en utrolig blanding af forskning, der er overalt, " siger han:Nogle undersøgelser har fundet betydelige fordele ved tilsætning af nanopartikler, mens andre fandt lidt forbedring. Så, tilføjer han, der er stor interesse for at forstå det grundlæggende i, hvordan disse materialer interagerer "på en fundamental og kvantitativ måde."

MIT-teamets tilgang kunne give en ny metode til at studere, hvordan materialerne interagerer, VanLandingham siger, og potentielt en ny måde at fremstille sådanne kompositter på. "Dette giver nogle yderligere retninger" til fremtidig forskning, der kan føre til nyttige applikationer, han siger.