Tilføjelse af nanopartikler til en polymermatrix forbedrer materialernes termomekaniske egenskaber

A*STAR-forskere har hærdet polymælkesyren og samtidig bevaret dens elasticitet ved at tilføje kerne-skal nanopartikler som fyldstof1.

Polymælkesyre (PLA) er en bionedbrydelig og yderst biokompatibel polymer med god termisk bearbejdelighed, som har fundet udbredt anvendelse i biomedicinske applikationer og som emballagemateriale. Imidlertid, den er skør og har dårlig mekanisk stabilitet, så det modificeres ofte ved at tilføje forstærkende polymerer og ved at inkorporere forskellige polymerisationsmetoder. Desværre, disse modifikationer reducerer også materialets styrke og elasticitetsmodul, hvilket begrænser dens anvendelser.

Nu, Chaobin Han, Beng Hoon Tan og kolleger ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, rapportere den øgede sejhed af PLA, samtidig med at materialets styrke og modul bibeholdes, ved tilsætning af kerne-skal nanopartikler som fyldstof. Nanopartiklerne har silicakerner med gummikæder kovalent bundet til silicaen, og poly(D-mælkesyre) (PDLA) podet på den ydre skal. Disse sekventielle trin blev realiseret ved at bruge en teknik kaldet 'ringåbningspolymerisation'.

Ved tilsætning af nanopartiklerne til en poly(L-mælkesyre) (PLLA) matrix ved hjælp af en opløsningsblandingsproces, et kompleks dannes mellem de vedhængende PDLA-kæder og PLLA-matrixen. Interessant nok, termisk analyse af polymeren nanokomposit indikerer, at materialet genmonteres perfekt efter omkrystallisation fra smelten. Denne smeltehukommelseseffekt forstærkes betydeligt af inkorporeringen af ​​gummikæder i nanopartiklerne.

"Tilstedeværelsen af ​​silica-gummi-PDLA nanopartikler i PLA-matrixen og dens komplekse dannelse med PLLA giver stressaflastning og broeffekter under deformation, dermed forbedre sejheden uden at ofre styrke og modulus, " siger He. Den øgede lette spændingsaflastning skyldes sandsynligvis gummiets evne til at fungere som en spændingskoncentrator under plastisk deformation. Fra mikroskopisk analyse af polymeren nanokomposit, materialets deformationsmekanismer blev identificeret som 'crazing', som involverer dannelsen af ​​mikrohulrum i materialet, og fibrillering på steder med lokal plastisk deformation.

"Den storstilede produktion af PLA fra vedvarende ressourcer gør vores miljøvenlige materiale til en lovende kandidat til at erstatte petroleumsbaseret termoplast, " siger han. "Mens vores tilgang i væsentlig grad har overvundet manglerne ved ren PLA, såsom skørhed og dårlig mekanisk stabilitet, yderligere optimering af materialer og proces samt forbedring af nanopartikler-polymer matrix-kompatibiliteten skal udføres."

"Evnen til at hærde PLA med tilføjelsen af ​​disse silica-gummi-PLA nanopartikler vil bane vejen for yderligere udvikling af bæredygtige polymerer til bredere anvendelser, eksempel, forbrugerelektronik, biler og emballage, " slutter han.