Efecto a nanoescala de la superficie de relleno de zirconia sobre la resistencia mecánica a la tracción de compuestos poliméricos

Resumen

Un efecto característico de una estructura nano-cóncava-convexa de un conjunto de nanopartículas de circonio con una estructura porosa inherente y una gran superficie nos permitió introducir una modificación sistemática de la superficie mediante tratamiento térmico para suavizar la superficie e impregnación de polímeros para enmascarar la estructura nano-cóncava-convexa. del conjunto de nanopartículas de circonio. Un compuesto de polímero preparado a partir del 30% en peso de poli ( N -isopropilacrilamida) que contenía 0,02% en peso de un conjunto de nanopartículas de circonio con la estructura de superficie nano-cóncava-convexa inherente mostró la mayor resistencia a la tracción en las pruebas de tracción mecánica. Sin embargo, tanto el ensamblaje de nanopartículas de circonio sinterizado con superficie lisa como los ensamblajes de nanopartículas de circonio con superficie enmascarada de polímero mostraron menor resistencia con un alargamiento más largo a la rotura en las pruebas mecánicas de tracción.

Introducción

Los nanomateriales son algunos de los materiales avanzados más intrigantes en muchos campos de investigación y aplicación [1,2,3,4,5], ya que sus propiedades físicas / químicas intrínsecas son muy diferentes de las de los materiales a granel [6,7,8,9 ]. Cuando se aplican nanomateriales como rellenos de compuestos poliméricos, diferencias mínimas en los rellenos, como el área de superficie, la estructura de la superficie y la morfología de las partículas de los nanomateriales, provocan cambios drásticos en las propiedades de macroescala de los compuestos [10].

Por ejemplo, la incorporación de componentes inorgánicos en los polímeros mejoró las propiedades físicas y químicas, como la estabilidad térmica, la resistencia mecánica, la dispersabilidad y la solubilidad [11,12,13,14].

Sin embargo, un estudio sistemático no logró aclarar la relación entre las propiedades a nanoescala de los nanomateriales, es decir, estructura, morfología y área de superficie, y las propiedades físicas y mecánicas de macroescala de los compuestos.

Nanomateriales de óxido de metal poroso como dióxido de silicio [15,16,17], dióxido de titanio [18,19,20], dióxido de circonio [21,22,23], dióxido de cerio [24,25,26] y otros materiales [ 27,28,29] con grandes áreas superficiales se han aplicado en catálisis química, absorción de gases, separación, suministro de fármacos y materiales de almacenamiento de energía [30,31,32,33,34,35]. En este contexto, nuestro grupo desarrolló ensamblajes únicos de nanopartículas de óxido metálico con morfologías esféricas de tamaño submicrónico mediante un enfoque solvotermal de un solo paso y de un solo paso [36]. Llamamos a estos materiales m icro / m esóporosamente a rchitected r rotundamente i m integrado etal o xides (MARIMOs). Estos producen una rugosidad superficial a escala nanométrica y una amplia superficie. Por ejemplo, TiO ₂ MARIMO tiene una superficie nano-cóncava-convexa debido a sus numerosas partículas primarias finas inherentes con diámetros de aprox. 5 nm y una gran superficie específica (400 m ² g ⁻¹ ) [35]. En investigaciones anteriores, aplicamos estos materiales únicos para soportar catalizadores de nanometales no homogéneos y materiales de ánodo para baterías recargables. En los soportes del catalizador, nanopartículas de Au altamente dispersas en el TiO ₂ La superficie de soporte MARIMO mejoró la actividad catalítica y mejoró la durabilidad del catalizador a alta temperatura [37]. En el material del ánodo, Nb ₂ O ₅ -TiO ₂ MARIMO aumentó la capacidad actual y la vida útil de las baterías [38]. Además, TiO ₂ Los haces de nanofibras con una morfología de cepillo de mejillas mejoraron la resistencia mecánica de un hidrogel de polímero cuando se usa como relleno [39].

El efecto de anclaje a nano y microescala es más significativo en el mecanismo adhesivo. Consideramos que estos MARIMO con estructuras superficiales nano-cóncavas-convexas, grandes superficies y estructuras porosas serían apropiados para aclarar la relación entre las propiedades superficiales a nanoescala y las propiedades del material a macroescala, ya que las propiedades superficiales de MARIMO pueden ajustarse fácilmente mediante tratamiento térmico y decoración polimérica (Fig. 1). Por ejemplo, el tratamiento térmico de MARIMO crea una superficie lisa con un área de superficie reducida y una porosidad más baja. La impregnación [40] de monómeros o polímeros en los poros de MARIMO debería enmascarar la superficie nano-cóncava-convexa del MARIMO. Así, en este trabajo, se estudió un nuevo método de modificación de la superficie del relleno por impregnación de polímeros para enmascarar la forma nano-cóncava-convexa de MARIMO para demostrar el efecto de nanoanclaje de la superficie del relleno. Aquí, seleccionamos una zirconia (ZrO ₂ ) MARIMO como relleno para mejorar las propiedades mecánicas de los compuestos poliméricos, ya que ZrO ₂ el relleno exhibe mejores propiedades tales como resistencia química especialmente para ácidos, resistencia mecánica y estabilidad térmica, lo que sería favorable para que la matriz polimérica conduzca a compuestos poliméricos duraderos [41,42,43]. Se seleccionaron monómeros, metacrilato de 2-hidroxietilo (HEMA), metacrilato de bencilo (BMA) y metacrilato de ciclohexilo (CHMA), y sus polímeros para modificar la superficie nano-cóncava-convexa de ZrO ₂ Rellenos MARIMO. Poli ( N -isopropilacrilamida) (PNIPAM) se eligió hidrogel como matriz para los compuestos poliméricos.

Esquema de la modificación de la superficie de ZrO ₂ MARIMO por tratamiento térmico e impregnación con monómero / polímero

Existen varios enfoques para estimar las interacciones físicas y químicas entre las superficies de relleno y las cadenas de polímeros en los compuestos poliméricos. La termogravimetría, la espectroscopía UV-visible, la espectroscopía FT-IR y la microscopía son sus representantes. Aquí, adoptamos la prueba de tracción mecánica como una técnica alternativa que es relativamente simple, fácil y rápida. Hay algunos informes sobre las propiedades mecánicas de los hidrogeles con óxido de grafeno y ZrO ₂ polvo [44, 45], que es diferente al nuestro con respecto a un sistema simple que constaba únicamente de zirconia y matriz polimérica. Hasta donde sabemos, no se ha publicado ningún informe sobre la relación entre los cambios nanoestructurales en las superficies de relleno y las cadenas de polímeros en compuestos poliméricos.

Métodos

Materiales

N -isopropilacrilamida (NIPAM), N, N, N ', N' -tetrametiletilendiamina (TMEDA), persulfato de potasio (KPS) y zirconia comercial (ZrO ₂ comercial ) se adquirieron de FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation. Se adquirieron HEMA, BMA, CHMA y 1-hidroxiciclohexil fenil cetona (HCPK) de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Todos los reactivos se usaron tal como se recibieron. ZrO ₂ MARIMO se obtuvo de UJIDEN Chemical Industry Co., Ltd.

Preparación de ZrO ₂ impregnado con HEMA, NIPAM, BMA y CHMA Rellenos MARIMO

Se aplicó un método de impregnación para la preparación de catalizadores de nanometales soportados [40] para obtener ZrO ₂ impregnado con HEMA Relleno MARIMO. ZrO ₂ MARIMO se secó a 80 ° C al vacío durante 12 h. Luego, se agregaron 20 μL de una mezcla de HEMA / HCPK (20/1, mol / mol) a 200 mg de ZrO ₂ secado al vacío. MARIMO, y la mezcla se mezcló bien manualmente con un mortero. Luego se irradió con luz ultravioleta durante 1 h con mezcla intermitente cada 15 min. Se utilizaron procedimientos similares para preparar ZrO ₂ impregnado con NIPAM, BMA y CHMA Rellenos MARIMO.

Preparación de hidrogeles PNIPAM con ZrO ₂ Rellenos

Hidrogeles compuestos por PNIPAM y ZrO ₂ los rellenos se prepararon de acuerdo con un método descrito anteriormente [37]. ZrO ₂ Se dispersó MARIMO (24 mg, 0,02% en peso) en 115 ml de agua de ósmosis inversa con N ₂ burbujeando antes de añadir NIPAM (36 g, 30% en peso) a la solución. La mezcla se agitó durante 30 min y luego se añadieron sucesivamente KPS (0,18 g, 0,67 mmol) en agua (5 ml) y TMEDA (1,8 ml, 12 mmol). La mezcla se transfirió cuidadosamente a varios tubos de vidrio con un diámetro interior de 1,0 cm. El volumen muerto superior de los tubos se purgó con N ₂ y los tubos de vidrio se cerraron herméticamente con tapones de rosca y luego se dejaron a 25 ° C. Después de 3 días, se cortaron los tubos de vidrio y se eliminaron los hidrogeles poliméricos. Las varillas de hidrogel obtenidas con un diámetro de 1,0 cm y una longitud de 3,0 cm se utilizaron para medidas de resistencia mecánica. Procedimientos similares proporcionaron compuestos PNIPAM con ZrO ₂ impregnado con HEMA, NIPAM, BMA y CHMA Rellenos MARIMO.

Prueba de tracción mecánica de compuestos poliméricos

Se aplicó una prueba de tracción mecánica a las muestras en la dirección axial. La longitud deformada del material compuesto (deformación) y la fuerza aplicada (tensión) se midieron utilizando un medidor de tracción (Y MCT-2150 ) con una velocidad de cruceta de 50 mm min ⁻¹ a temperatura ambiente. En las pruebas de tracción de todas las muestras compuestas, el porcentaje de alargamiento, 930%, es la limitación de la máquina de prueba de tracción. Se utilizaron diez muestras compuestas para la prueba de tracción mecánica y al menos siete muestras se utilizaron para el análisis de datos. Observamos que los compuestos que contienen burbujas, agrietados por el vidrio y agrietados por el agarre de la máquina de prueba de tracción se omitieron del análisis de datos para garantizar la calidad de los datos. Los resultados se presentan como media ± desviación estándar.

Métodos de caracterización

Se realizó microscopía electrónica de barrido (SEM) en un microscopio Hitachi SU8020 FE-SEM. Se obtuvieron imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) con un microscopio JEOL JEM-2100F. El mapeo STEM-EDX se tomó mediante el modo de campo brillante (BF) y se realizó en un espectrómetro Oxford INCA X-max 80 EDX. La difractometría de rayos X (XRD) se realizó en un difractómetro Rigaku SmartLab (radiación Cu Kα, detector D / teX Ultra 250). Las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno se obtuvieron utilizando un instrumento BEL Japan Inc. Belsorp Mini (II). Las áreas de superficie específicas se calcularon mediante el método de Brunauer-Emmett-Teller (BET) y la distribución del tamaño de los poros se obtuvo mediante el método de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Se realizó calorimetría diferencial de barrido (DSC) con DSC7000X de Hitachi High-Tech Science Corporation a una velocidad de barrido de 10 ° C min ^-1 de 0 a 100 ° C en atmósfera de nitrógeno en tres exploraciones. La cromatografía de exclusión por tamaño (SEC) se realizó utilizando una bomba JASCO PU-2080 Plus con dos columnas de gel (KF-804L y KF-806L) y un detector RI inteligente RI-2031 Plus en cloroformo calibrado con estándares de poliestireno a 40 ° C. La espectroscopia de transformada de Fourier infrarroja de reflectancia difusa (DRIFTS) se realizó en un FT / IR-4600 de JASCO Corporation, y los espectros estaban realizando transformaciones de Kubelka-Munk.

Resultados y discusión

Propiedades de la superficie de ZrO ₂ MARIMOs

Propiedades físicas de ZrO ₂ los rellenos se evaluaron mediante el método BET, XRD y SEM. Un material de referencia, comercial ZrO ₂ nanopartículas, mostraron una morfología aproximadamente agregada (Fig. 2a, b) con una superficie específica de 20 m ² g ⁻¹ (Tabla 1). Por el contrario, ZrO ₂ MARIMO exhibió una morfología mesoporosa esférica (Fig. 2c, d) con una gran superficie específica (283 m ² g ⁻¹ ), que es 14 veces más grande que el ZrO ₂ comercial nanopartículas. ZrO sinterizado ₂ El MARIMO obtenido por calentamiento a 700 ° C durante 3 h en aire presentó una superficie específica baja de 6 m ² g ⁻¹ como se esperaba (Fig. 2e, f). La reducción extrema en la superficie específica indica que el tamaño de partícula primaria del ZrO ₂ sinterizado MARIMO se incrementó por calentamiento, lo cual fue confirmado por la estimación del tamaño de partícula primaria a partir del ancho del pico XRD usando la ecuación de Scherrer y el método BJH del análisis de isoterma de adsorción-desorción de nitrógeno (Tabla 1). Por lo tanto, diminutas partículas primarias en el ZrO ₂ MARIMO trajo una gran superficie, así como una estructura porosa con la superficie nano-cóncava-convexa. Por lo tanto, gran cantidad de materiales interactuarán con la superficie nano-cóncava-convexa y los poros del ZrO ₂ MARIMO.

Imágenes SEM de a aumento bajo y b gran aumento de ZrO ₂ disponible comercialmente , c aumento bajo y d gran aumento de ZrO ₂ MARIMO y e aumento bajo y f gran aumento de ZrO ₂ sinterizado MARIMO

DSC es una herramienta poderosa para demostrar la interacción entre ZrO ₂ superficie de relleno y moléculas orgánicas a través de fenómenos endotérmicos o exotérmicos [45]. Antes de la decoloración de la superficie de ZrO ₂ Rellenos MARIMO por polímeros, seleccionamos el monómero NIPAM como moléculas sonda para investigar la interacción entre el ZrO ₂ superficie de relleno y moléculas de sonda orgánicas mediante DSC, ya que el punto de fusión del monómero NIPAM es sensible a la cristalinidad del sólido NIPAM [46]. Si el sólido NIPAM está incrustado en los poros de los materiales hospedantes, su punto de fusión cambiaría a una temperatura más baja, ya que la cristalinidad del sólido NIPAM de tamaño nanométrico incrustado con tamaño nanométrico en los poros de los materiales hospedantes se vería fácilmente alterada por alguna perturbación de pared de poro límite.

Los perfiles DSC de NIPAM en sí, una mezcla de ZrO ₂ comercial nanopartículas y monómero NIPAM (ZrO ₂ comercial / NIPAM), una mezcla de ZrO ₂ Monómero MARIMO y NIPAM (ZrO ₂ MARIMO / NIPAM) y una mezcla de ZrO ₂ sinterizado Monómero MARIMO y NIPAM (ZrO ₂ sinterizado MARIMO / NIPAM) con diferentes ZrO ₂ La relación en peso / NIPAM se muestra en la Fig. S1, Fig. S2 y Fig. S3, respectivamente. El propio monómero NIPAM mostró un pico endotérmico atribuido a su punto de fusión a 67,7 ° C. En el caso de ZrO ₂ comercial / NIPAM, se observó un simple cambio de pico gradual de los perfiles DSC de 67,7 ° C (NIPAM) a 64,8 ° C de acuerdo con el ZrO ₂ más alto contenido (Fig. S1, Tabla S1). Los picos endotérmicos a 64,8 ° C se pueden atribuir al punto de fusión del sólido NIPAM situado entre el ZrO ₂ comercial partículas primarias.

Por el contrario, los cambios de temperatura más grandes de 67,7 a 62,4 ° C se reconocieron de acuerdo con el ZrO ₂ más alto Contenidos MARIMO hasta ZrO ₂ MARIMO / NIPAM =50/50 (% en peso) en el caso de ZrO ₂ MARIMO / NIPAM (Fig. S2, Tabla S1). Estos grandes cambios demuestran claramente que el ZrO ₂ MARIMO tiene algún efecto positivo sobre el estado sólido del monómero NIPAM incrustado en los poros de MARIMO, donde el mayor desplazamiento de los picos endotérmicos podría corresponder a una interacción más fuerte entre el ZrO ₂ superficie de relleno y monómero NIPAM. Sin embargo, los picos endotérmicos se desplazaron a la dirección opuesta de la temperatura más alta de 65,2 ° C en el ZrO ₂ / Relación NIPAM que varía de 50/50 a 80/20 (% en peso). Es difícil presentar una discusión concluyente, pero los picos endotérmicos a 62,4 y 65,2 ° C podrían atribuirse a los puntos de fusión de los poros profundos incrustados sólidos de NIPAM y a una gran cantidad de poros poco profundos en ZrO ₂ MARIMO, respectivamente. En cuanto al ZrO ₂ sinterizado MARIMO / NIPAM con la superficie lisa, se mostraron cambios de temperatura inferiores simples bastante similares de picos endotérmicos en proporción al ZrO sinterizado ₂ Contenido de MARIMO (Fig. S3, Tabla S1) similar a los resultados de ZrO ₂ comercial / NIPAM en la Fig. S1.

Por lo tanto, la interacción positiva encontrada entre el ZrO ₂ El monómero MARIMO y NIPAM sería ventajoso para la decollación del polímero sobre el ZrO ₂ Superficie MARIMO.

Preparación de hidrogeles PNIPAM con ZrO ₂ Rellenos

Evaluar el efecto de la estructura de la superficie del ZrO ₂ rellenos además, PNIPAM hidrogeles con ZrO ₂ Se eligieron rellenos, ya que la fuerza de los hidrogeles de PNIPAM era sensible a las propiedades de los rellenos. Los hidrogeles de PNIPAM se prepararon a partir de soluciones acuosas que contenían diferentes cantidades (20, 25 y 30% en peso) de NIPAM, KPS como iniciador de radicales y TMEDA. Cuando el gel obtenido a partir del 20% en peso de NIPAM se dejó a temperatura ambiente, cambió a sol en 60 minutos (Fig. S4a). Por el contrario, no se observó deformación estructural de la forma del hidrogel con los geles obtenidos a partir de soluciones de NIPAM al 25 y 30% en peso (Fig. S4b-c). La tensión y la deformación fueron de 2,7 ± 0,2 kPa y superiores al 930% para hidrogeles de PNIPAM al 25% en peso, y de 7,8 ± 0,2 kPa y 716 ± 106% para los hidrogeles de PNIPAM al 30% en peso, respectivamente (Fig. S5 y Tabla S2). Luego, seleccionamos el hidrogel de PNIPAM al 30% en peso más fuerte como una matriz de polímero para evaluar el efecto del ZrO ₂ rellenos.

El ZrO ₂ El contenido de relleno en los hidrogeles de PNIPAM se optimizó luego cambiando la cantidad de ZrO ₂ comercial relleno (0,002 (2a), 0,02 (2b) y 0,04% en peso (2c)) en 30% en peso de hidrogel de PNIPAM. En consecuencia, el compuesto 2a mostró la mayor resistencia a la tracción (9,5 ± 0,7 kPa), mientras que el compuesto 2b mostró el mayor alargamiento (902 ± 28%) entre todos los compuestos (Fig. S6 y Tabla S3). A partir de estos resultados, es difícil juzgar cuál (alta resistencia a la tracción o alargamiento prolongado) es adecuado para la cantidad de carga para preparar hidrogel de polímero. Luego, se calcularon las áreas del perfil para estimar cuánto trabajo fue necesario para romper estos compuestos. En consecuencia, el compuesto 2b mostró el trabajo más alto entre todos los compuestos (Tabla S3).

Por lo tanto, las condiciones de 30% en peso de NIPAM y 0.02% en peso de ZrO ₂ El relleno se corrigió a lo largo de los experimentos.

Pruebas mecánicas de tracción de los compuestos poliméricos

La resistencia mecánica a la tracción obtenida de las curvas de tensión-deformación se muestra en la Fig. 3. La tensión y la deformación máximas de cada compuesto estimadas a partir de las pruebas mecánicas de tracción se resumen en la Tabla 2. El efecto de la morfología de la superficie de ZrO ₂ El relleno en compuestos poliméricos se puede aclarar midiendo la resistencia a la tracción [41,42,43] de compuestos preparados con ZrO ₂ comercial (2b), con ZrO ₂ nano-cóncavo-convexo MARIMO (3), con y sinterizado ZrO ₂ MARIMO (4) con la superficie lisa. Como resultado, el compuesto 3 que contiene MARIMO con la superficie nano-cóncava-convexa mostró la máxima resistencia a la tracción máxima (9,2 ± 0,2 kPa) y el menor alargamiento (746 ± 37%). Sin embargo, el compuesto 4 que contenía MARIMO sinterizado con una superficie lisa exhibió una pobre resistencia a la tracción de 6,6 ± 0,3 kPa. Las capacidades de alargamiento de 2b (902 ± 28%) y 4 (903 ± 19%) fueron casi las mismas. Generalmente, el efecto de anclaje de la superficie del relleno sobre las cadenas de polímero y el deslizamiento de las cadenas de polímero se puede estimar a partir de la tensión máxima y la deformación máxima, respectivamente, obtenidas de las pruebas mecánicas de tracción [47]. Los resultados obtenidos indican claramente que la superficie nano-cóncava-convexa jugó un papel crítico en la resistencia a la tracción de los compuestos poliméricos como se esperaba, lo que puede ser un efecto de anclaje entre la superficie nano-cóncava-convexa y las cadenas poliméricas en los compuestos poliméricos. . Para conocer la microestructura y distribución de ZrO ₂ rellenos, utilizamos compuestos poliméricos liofilizados para la observación SEM directa. Como resultado, confirmamos la red polimérica uniforme del hidrogel pero sin agregación ni aglomeración de ZrO ₂ se observaron rellenos (Fig. S7).

Curvas de tensión-deformación por tracción para compuestos de hidrogel PNIPAM al 30% en peso con 0,02% en peso de ZrO ₂ rellenos. Compuestos con 0,02% en peso de ZrO ₂ comercial (2b), con 0,02% en peso de superficie nano-cóncava-convexa ZrO ₂ MARIMO (3) y con 0,02% en peso de ZrO ₂ sinterizado MARIMO (4)

Efecto de las propiedades superficiales del ZrO impregnado con polímero ₂ MARIMO

Completar el estudio sistemático sobre la relación entre la superficie nano-cóncava-convexa del ZrO ₂ Cadenas de relleno y polímero MARIMO, modificamos el ZrO ₂ Relleno de superficie MARIMO mediante impregnación polimérica para enmascarar la superficie nano-cóncava-convexa. Aquí, seleccionamos monómeros de vinilo como HEMA, NIPAM, BMA y CHMA para impregnarlos en los poros de ZrO ₂ MARIMO. Polimerización de los monómeros impregnados en ZrO ₂ MARIMO se logró mediante irradiación UV en presencia de un fotoiniciador (HCPK). El progreso de la polimerización se comprobó mediante SEC del sobrenadante del ZrO ₂ impregnado. Dispersión de MARIMO / cloroformo (Cuadro S4). Todas las muestras tenían pesos moleculares de alrededor de 1000. En los experimentos DRIFTS, no hay un pico significativo que indique interacción entre el polímero y ZrO ₂ MARIMO (Fig. S8). En este sentido, estudiamos el análisis SEM y STEM-EDX para confirmar la impregnación. Como se muestra en la Fig. 4, las morfologías esféricas de MARIMO se mantuvieron incluso después de los tratamientos de impregnación. El análisis STEM-EDX (Fig. 5) muestra claramente que los átomos de Zr, C, O y (N) se distribuyeron de manera homogénea en todo el ZrO ₂ Rellenos MARIMO. Estos resultados indican que los monómeros se impregnaron y polimerizaron uniformemente en las nanocavidades y poros del MARIMO.

Imágenes SEM de a ZrO ₂ impregnado con HEMA MARIMO, b ZrO ₂ impregnado con NIPAM MARIMO, c ZrO ₂ impregnado con BMA MARIMO y d ZrO ₂ impregnado con CHMA MARIMO

Imágenes de mapeo TEM y STEM-EDX de a ZrO ₂ impregnado con HEMA MARIMO, b ZrO ₂ impregnado con NIPAM MARIMO, c ZrO ₂ impregnado con BMA MARIMO y d ZrO ₂ impregnado con CHMA MARIMO

Pruebas mecánicas de tracción de compuestos poliméricos

Existencia del efecto anclaje de la superficie nano-cóncava-convexa de ZrO ₂ MARIMO se estudió mediante ensayos mecánicos de tracción. Compuestos poliméricos con ZrO ₂ impregnado con HEMA MARIMO (5), con ZrO ₂ impregnado con NIPAM MARIMO (6), con ZrO ₂ impregnado con BMA MARIMO (7), y con ZrO ₂ impregnado con CHMA MARIMO (8) se prepararon de acuerdo con procedimientos similares a los empleados para los composites 2b, 3 y 4. Como se muestra por las resistencias mecánicas a la tracción obtenidas de las curvas de tensión-deformación en la Fig. 6, todos los composites 5-8 con polímero de vinilo impregnados ZrO ₂ Los rellenos MARIMO mostraron una menor resistencia a la tracción en comparación con el composite 3 con el ZrO ₂ nano-cóncavo-convexo Masilla MARIMO (Tabla 3), sugiriendo el efecto de anclaje de la superficie reducido en todos los casos del polímero ZrO ₂ impregnado Rellenos MARIMO. En cambio, mayor elongación de todos los compuestos 5-8 con el polímero ZrO ₂ impregnado Se observaron claramente los rellenos MARIMO, lo que puede atribuirse al deslizamiento de las cadenas del polímero de la matriz en las superficies del relleno MARIMO impregnadas de polímero. Por lo tanto, ZrO ₂ impregnado con polímero Los rellenos MARIMO en compuestos poliméricos indujeron una menor resistencia a la tracción y una capacidad de alargamiento mejorada de los compuestos. Pasando al prototipo ZrO ₂ MARIMO, la superficie nano-cóncava-convexa jugó un papel positivo en la resistencia a la tracción de los compuestos poliméricos.

Curvas de tensión-deformación por tracción para compuestos de hidrogel PNIPAM al 30% en peso con 0,02% en peso de superficie nano-cóncava-convexa ZrO ₂ MARIMO (3), con 0,02% en peso de ZrO ₂ impregnado con HEMA MARIMO (5), con 0,02% en peso de ZrO ₂ impregnado con NIPAM MARIMO (6), con 0,02% en peso de ZrO ₂ impregnado con BMA MARIMO (7), y con 0,02% en peso de ZrO ₂ impregnado con CHMA MARIMO (8)

Conclusión

Modificación de la superficie de un ZrO ₂ El relleno MARIMO con una estructura nano-cóncava-convexa reveló la importancia de las interacciones de anclaje a nanoescala entre la superficie del relleno y las cadenas del polímero de la matriz mediante pruebas mecánicas de tracción. Para investigar el efecto de la estructura nano-cóncava-convexa, modificamos el ZrO ₂ Superficie de relleno MARIMO por (i) calcinación del ZrO ₂ MARIMO para alisar la superficie nano-cóncava-convexa y (ii) impregnación de polímeros en el ZrO ₂ Poros MARIMO para enmascarar la superficie nano-cóncava-convexa. Se aplicó una prueba de tracción mecánica para estimar la interacción entre la superficie de las cargas y las cadenas de polímero en los compuestos de polímero. Los compuestos poliméricos que contienen un ZrO ₂ nano-cóncavo-convexo El relleno MARIMO mostró la mayor resistencia a la tracción, mientras que impregnaba con polímero el ZrO ₂ Los rellenos MARIMO provocaron el gran alargamiento. Por lo tanto, la superficie nano-cóncava-convexa del ZrO ₂ El relleno MARIMO interactuó positivamente con las cadenas de polímero de la matriz para mejorar la capacidad de resistencia a la tracción, mientras que el polímero enmascara la superficie nano-cóncava-convexa del ZrO ₂ Los rellenos MARIMO mejoraron la capacidad de elongación. En consecuencia, el diseño racional de la superficie del relleno nos permitió comprender la interacción a nanoescala de la superficie del relleno con la matriz del polímero a través de ensayos mecánicos de tracción a macroescala. Se pueden incorporar diferentes tipos de monómeros o polímeros, tales como monómeros o polímeros iónicos, hidrófilos e hidrófobos, a las cargas MARIMO mediante la técnica de impregnación simple para controlar las propiedades de las cargas MARIMO. Más estudios sobre una mejor dispersión de ZrO ₂ el relleno en medios acuosos ahora está en progreso.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos relevantes que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

Abreviaturas

APUESTA:: Brunauer – Emmett – Teller
BF:: Campo claro
BJH:: Barrett – Joyner – Halenda
BMA:: Metacrilato de bencilo
CHMA:: Metacrilato de ciclohexilo
DRIFTS:: Espectroscopía infrarroja de reflectancia difusa por transformada de Fourier
DSC:: Calorimetría diferencial de barrido
HCPK:: 1-hidroxiciclohexil fenil cetona
HEMA:: Metacrilato de 2-hidroxietilo
KPS:: Persulfato de potasio
MARIMO:: Óxido de metal integrado de forma redonda con arquitectura micro / mesoporosa
NIPAM:: N -Isopropilacrilamida
PNIPAM:: Poli ( N -isopropilacrilamida)
SEC:: Cromatografía de exclusión por tamaño
SEM:: Microscopía electrónica de barrido
TEM:: Microscopía electrónica de transmisión
TMEDA:: N, N, N ', N' -tetrametiletilendiamina
XRD:: Difractometría de rayos X
ZrO ₂ :: Circonita