Mod revnebestandige nanopartikelbaserede latexfilm

Syntetiske polymermaterialer, såsom plast og gummi, er blevet allestedsnærværende i vores daglige liv. Det er derfor vigtigt at sikre, at de er sikre, holdbare og bæredygtige. Dette gælder især for syntetiske latexfilm, som er meget brugt i emballage, biomedicin og elektronik.

Men hvad er syntetiske latexfilm egentlig? Kort sagt er de en type nanopartikel-baserede film, der er fremstillet ved at udtørre en blanding af polymer-nanopartikler og vand. Efterhånden som opløsningsmidlet fordamper, bliver nanopartiklerne mere pakket, indtil til sidst interaktionerne mellem polymerkæder ved grænserne af nanopartikler skaber en sammenhængende film.

Desværre er latexfilmene fremstillet på denne måde svage. I de fleste tilfælde skal organiske opløsningsmidler og fyldstoffer tilsættes til den oprindelige blanding for at forbedre slutproduktets mekaniske egenskaber. Disse tilsætningsstoffer er ikke kun dyre, men også skadelige for miljøet.

Heldigvis har et team af forskere fra Japan, ledet af lektor Daisuke Suzuki fra Shinshu University, for nylig udviklet en innovativ måde at fremstille hårde og revnebestandige elastiske nanopartikel-baserede latexfilm uden at bruge sådanne tilsætningsstoffer. Deres arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Langmuir , inkluderede bidrag fra Yuma Sasaki fra Shinshu University og professor Toshikazu Takata fra Hiroshima University.

Nøglen til deres tilgang var en ny molekylær struktur kendt som rotaxan, som består af to hovedkomponenter - et ringlignende molekyle og et lineært "aksel"-molekyle. Det ringlignende molekyle føres gennem akselmolekylet, som derefter bliver mekanisk fanget på grund af formen på akselafslutningerne.

Forskerne udnyttede denne sammenlåsningsmekanisme i rotaxan ved at få det ringlignende molekyle kemisk til at binde til en polymerkæde og akselmolekylet til en anden kæde. Dernæst forberedte de blandinger af vand og polymernanopartikler gennem standard ultralydbehandling og efterfølgende polymerisering, der igen blev brugt til at producere latexfilm. Strækningsforsøgene udført på disse film afslørede, at den rotaxan-baserede strategi resulterede i nogle bemærkelsesværdige egenskaber.

"I modsætning til konventionelle nanopartikel-baserede elastiske polymerer udviste latexfilmene bestående af de rotaxan-tværbundne nanopartikler en usædvanlig revneudbredelsesadfærd," forklarer Dr. Suzuki. "Retningen af ​​revneudbredelsen ændrede sig fra at være parallel med revnen til en vinkelret på revnen, hvilket resulterede i en øget rivemodstand."

Den nye tilgang til fremstilling af latexfilm giver mange fordele i forhold til konventionelle metoder. Vigtigst er det, at ingen giftige tilsætningsstoffer er nødvendige for at opnå en rimelig filmsejhed. Da der kun er behov for en lille mængde rotaxan, kan filmens samlede vægt holdes lav, samtidig med at fleksibiliteten bevares. De foreslåede latexfilm er også bæredygtige.

"De er nedbrydelige og kan nemt skilles ad til individuelle nanopartikler ved blot at lægge dem i blød i et miljøvenligt organisk opløsningsmiddel, såsom en vandig ethanolopløsning," siger Dr. Suzuki. "Disse nanopartikler kan så danne en film igen ved fordampning af opløsningen. Resultaterne af denne forskning kan således hjælpe med at skabe meget holdbare og genanvendelige materialer."

Samlet set forventer teamet, at deres arbejde med at udvide mulighederne for design af nye polymerfilm uden tilsætningsstoffer. Sådanne materialer kan således gøres biokompatible med potentielle anvendelser inden for bioteknologi og medicin ud over emballage, industrielle belægninger og klæbemidler.

Flere oplysninger: Yuma Sasaki et al., Nanopartikel-baserede hårde polymerer med modstand mod revneudbredelse, Langmuir (2023). DOI:10.1021/acs.langmuir.3c01226

Journaloplysninger: Langmuir

Leveret af Shinshu University