Efeito em nanoescala da superfície de enchimento de zircônia na resistência mecânica à tração de compostos de polímero

Resumo

Um efeito característico de uma estrutura nano-côncava-convexa de um conjunto de nanopartículas de zircônia com uma estrutura porosa inerente e grande área de superfície nos permitiu introduzir uma modificação de superfície sistemática por tratamento térmico para alisar a superfície e impregnação de polímero para mascarar a estrutura nano-côncava-convexa do conjunto de nanopartículas de zircônia. Um composto de polímero preparado a partir de 30% em peso de poli ( N -isopropilacrilamida) contendo 0,02% em peso do conjunto de nanopartículas de zircônia com a estrutura de superfície nano-côncava-convexa inerente mostrou a maior resistência à tração em testes de tração mecânica. No entanto, ambos os conjuntos de nanopartículas de zircônia sinterizada com superfície lisa e os conjuntos de nanopartículas de zircônia com superfície mascarada de polímero mostraram menor resistência com maior alongamento na ruptura em testes de tração mecânica.

Introdução

Os nanomateriais são alguns dos materiais avançados mais intrigantes em muitos campos de pesquisa e aplicação [1,2,3,4,5], uma vez que suas propriedades físico-químicas intrínsecas são muito diferentes daquelas dos materiais a granel [6,7,8,9 ] Quando os nanomateriais são aplicados como cargas de compósitos poliméricos, pequenas diferenças nas cargas, como área de superfície, estrutura da superfície e morfologia das partículas dos nanomateriais, levam a mudanças drásticas nas propriedades em macroescala dos compósitos [10].

Por exemplo, a incorporação de componentes inorgânicos em polímeros melhorou as propriedades físicas e químicas, como estabilidade térmica, resistência mecânica, dispersibilidade e solubilidade [11,12,13,14].

No entanto, um estudo sistemático falhou em esclarecer a relação entre as propriedades em nanoescala dos nanomateriais, ou seja, estrutura, morfologia e área de superfície, e as propriedades físicas e mecânicas em macroescala dos compósitos.

Nanomateriais de óxido de metal poroso, como dióxido de silício [15,16,17], dióxido de titânio [18,19,20], dióxido de zircônio [21,22,23], dióxido de cério [24,25,26] e outros materiais [ 27,28,29] com grandes áreas de superfície foram aplicados em catálise química, absorção de gás, separação, entrega de drogas e materiais de armazenamento de energia [30,31,32,33,34,35]. Neste contexto, nosso grupo desenvolveu conjuntos únicos de nanopartículas de óxido de metal com morfologias esféricas de tamanho submicrônico por uma abordagem solvotérmica simples de um vaso e uma etapa [36]. Chamamos esses materiais de m icro / m esoporicamente a rchitected r finalmente i integrado m etal o xides (MARIMOs). Estes produzem rugosidade de superfície em escala nanométrica e ampla área de superfície. Por exemplo, TiO ₂ MARIMO tem uma superfície nano-côncava-convexa devido às suas numerosas partículas primárias finas inerentes com diâmetros de ca. 5 nm e área de superfície específica alta (400 m ² g ⁻¹ ) [35]. Em pesquisas anteriores, aplicamos esses materiais exclusivos para suportar catalisadores nanometais não homogêneos e materiais anódicos para baterias recarregáveis. Nos suportes de catalisador, nanopartículas de Au altamente dispersas no TiO ₂ A superfície de suporte MARIMO aumentou a atividade catalítica e melhorou a durabilidade do catalisador em alta temperatura [37]. No material do ânodo, Nb ₂ O ₅ -TiO ₂ MARIMO aumentou a capacidade atual e a vida útil das baterias [38]. Além disso, TiO ₂ feixes de nanofibras com morfologia em escova de bochecha aumentaram a resistência mecânica de um hidrogel de polímero quando usado como enchimento [39].

O efeito de ancoragem em escala nano e micro é mais significativo no mecanismo adesivo. Consideramos que esses MARIMOs com estruturas de superfície nano-côncava-convexas, grandes áreas de superfície e estruturas porosas seriam apropriados para esclarecer a relação entre propriedades de superfície em nanoescala e propriedades de material em macroescala, uma vez que as propriedades de superfície de MARIMO podem ser facilmente ajustadas por tratamento térmico e decoração com polímeros (Fig. 1). Por exemplo, o tratamento térmico de MARIMO cria uma superfície lisa com uma área de superfície reduzida e porosidade menor. A impregnação [40] de monômeros ou polímeros nos poros do MARIMO deve mascarar a superfície nano-côncava-convexa do MARIMO. Assim, neste artigo, um novo método de modificação da superfície de preenchimento por impregnação de polímeros para mascarar a forma nano-côncava-convexa do MARIMO foi estudado para demonstrar o efeito de nano-ancoragem da superfície de preenchimento. Aqui, selecionamos uma zircônia (ZrO ₂ ) MARIMO como um filler para potencializar as propriedades mecânicas de compósitos poliméricos, uma vez que ZrO ₂ O filler apresenta melhores propriedades como resistência química especialmente para ácidos, resistência mecânica e estabilidade térmica, o que seria favorável para a matriz polimérica conduzir compósitos poliméricos duráveis [41,42,43]. Monômeros, 2-hidroxietil metacrilato (HEMA), benzil metacrilato (BMA) e ciclohexil metacrilato (CHMA), e seus polímeros foram selecionados para modificar a superfície nano-côncava-convexa de ZrO ₂ Enchimentos MARIMO. Poli ( N -isopropilacrilamida) (PNIPAM) hidrogel foi escolhido como uma matriz para os compósitos poliméricos.

Esquema da modificação da superfície de ZrO ₂ MARIMO por tratamento térmico e impregnação com monômero / polímero

Existem várias abordagens para estimar as interações físicas e químicas entre as superfícies de preenchimento e as cadeias de polímeros em compósitos poliméricos. Termogravimetria, espectroscopia UV-visível, espectroscopia FT-IR e microscopia são seus representantes. Aqui, adotamos o teste de tração mecânica como uma técnica alternativa que é relativamente simples, fácil e rápida. Existem alguns relatórios sobre as propriedades mecânicas dos hidrogéis com óxido de grafeno e ZrO ₂ pó [44, 45], que é diferente do nosso no que diz respeito a um sistema simples que consistia apenas de zircônia e matriz de polímero. Até onde sabemos, nenhum relatório sobre a relação entre mudanças nanoestruturais em superfícies de preenchimento e cadeias poliméricas em compósitos poliméricos foi publicado.

Métodos

Materiais

N -isopropilacrilamida (NIPAM), N, N, N ', N' -tetrametiletilenodiamina (TMEDA), persulfato de potássio (KPS) e zircônia comercial (ZrO comercial ₂ ) foram adquiridos da FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation. HEMA, BMA, CHMA e 1-hidroxiciclohexil fenil cetona (HCPK) foram adquiridos de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Todos os reagentes foram usados como recebidos. ZrO ₂ MARIMO foi obtido da UJIDEN Chemical Industry Co., Ltd.

Preparação de ZrO impregnado com HEMA-, NIPAM-, BMA- e CHMA ₂ Preenchimentos MARIMO

Um método de impregnação para preparação de catalisador nanometal suportado [40] foi aplicado para obter ZrO impregnado com HEMA ₂ Enchedor MARIMO. ZrO ₂ MARIMO foi seco a 80 ° C sob vácuo durante 12 h. Em seguida, 20 μL de uma mistura HEMA / HCPK (20/1, mol / mol) foram adicionados a 200 mg de ZrO seco a vácuo ₂ MARIMO, e a mistura foi bem misturada manualmente com um almofariz e um pilão. Em seguida, foi irradiado com luz ultravioleta por 1 h com mistura intermitente a cada 15 min. Procedimentos semelhantes foram usados para preparar ZrO impregnado com NIPAM-, BMA- e CHMA ₂ Enchimentos MARIMO.

Preparação de hidrogéis PNIPAM com ZrO ₂ Enchimentos

Hidrogéis consistindo em PNIPAM e ZrO ₂ enchimentos foram preparados de acordo com um método previamente relatado [37]. ZrO ₂ MARIMO (24 mg, 0,02% em peso) foi disperso em 115 mL de água de osmose reversa com N ₂ borbulhar antes de adicionar NIPAM (36 g, 30% em peso) à solução. A mistura foi agitada durante 30 min e, em seguida, KPS (0,18 g, 0,67 mmol) em água (5 mL) e TMEDA (1,8 mL, 12 mmol) foram sucessivamente adicionados. A mistura foi cuidadosamente transferida para vários tubos de vidro com um diâmetro interno de 1,0 cm. O volume morto superior dos tubos foi purgado com N ₂ e os tubos de vidro foram fechados hermeticamente com tampas de rosca e depois deixados a 25 ° C. Após 3 dias, os tubos de vidro foram cortados e os hidrogéis de polímero foram removidos. As barras de hidrogel obtidas com diâmetro de 1,0 cm e comprimento de 3,0 cm foram utilizadas para medidas de resistência mecânica. Procedimentos semelhantes proporcionaram compósitos PNIPAM com ZrO impregnado com HEMA-, NIPAM-, BMA- e CHMA ₂ Enchimentos MARIMO.

Teste de tração mecânica de compostos de polímero

Ensaios mecânicos de tração foram aplicados aos corpos de prova na direção axial. O comprimento deformado do compósito (deformação) e a força aplicada (tensão) foram medidos usando um testador de tração (AND MCT-2150 ) com uma velocidade da cruzeta de 50 mm min ⁻¹ à temperatura ambiente. Nos testes de tração de todas as amostras compostas, o alongamento percentual, 930%, é a limitação da máquina de teste de tração. Dez amostras compostas foram usadas para o ensaio mecânico de tração e pelo menos sete amostras foram usadas para a análise de dados. Observamos que os compósitos contendo bolhas, trincados pelo vidro e trincados pela garra da máquina de ensaio de tração foram omitidos da análise de dados para garantir a qualidade dos dados. Os resultados são apresentados como média ± desvio padrão.

Métodos de caracterização

A microscopia eletrônica de varredura (SEM) foi realizada em um microscópio Hitachi SU8020 FE-SEM. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram obtidas com um microscópio JEOL JEM-2100F. O mapeamento STEM-EDX foi obtido pelo modo de campo claro (BF) e realizado em um espectrômetro Oxford INCA X-max 80 EDX. A difratometria de raios X (XRD) foi realizada em um difratômetro Rigaku SmartLab (radiação Cu Kα, detector D / teX Ultra 250). Isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio foram obtidas usando um instrumento BEL Japan Inc. Belsorp Mini (II). As áreas de superfície específicas foram calculadas usando o método Brunauer – Emmett – Teller (BET), e a distribuição do tamanho dos poros foi derivada pelo método Barrett – Joyner – Halenda (BJH). A calorimetria de varredura diferencial (DSC) foi realizada com DSC7000X da Hitachi High-Tech Science Corporation a uma taxa de varredura de 10 ° C min ^-1 de 0 a 100 ° C em uma atmosfera de nitrogênio em três varreduras. A cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) foi realizada usando uma bomba JASCO PU-2080 Plus com duas colunas de gel (KF-804L e KF-806L) e um detector RI-2031 Plus Intelligent RI em clorofórmio calibrado com padrões de poliestireno a 40 ° C. A espectroscopia de transformada de Fourier de infravermelho de refletância difusa (DRIFTS) foi realizada em um FT / IR-4600 da JASCO Corporation, e os espectros estavam realizando transformações de Kubelka-Munk.

Resultados e discussão

Propriedades de superfície de ZrO ₂ MARIMOs

Propriedades físicas de ZrO ₂ os enchimentos foram avaliados pelo método BET, XRD e SEM. Um material de referência, ZrO comercial ₂ nanopartículas, mostraram morfologia grosseiramente agregada (Fig. 2a, b) com uma área de superfície específica de 20 m ² g ⁻¹ (Tabela 1). Por outro lado, ZrO ₂ MARIMO exibiu uma morfologia mesoporosa esférica (Fig. 2c, d) com uma enorme área de superfície específica (283 m ² g ⁻¹ ), que é 14 vezes maior do que o ZrO comercial ₂ nanopartículas. ZrO sinterizado ₂ MARIMO obtido por aquecimento a 700 ° C por 3 h ao ar exibiu uma área de superfície específica baixa de 6 m ² g ⁻¹ como esperado (Fig. 2e, f). A redução extrema na área de superfície específica indica que o tamanho da partícula primária do ZrO sinterizado ₂ MARIMO foi aumentado pelo aquecimento, o que foi confirmado pela estimativa do tamanho de partícula primária da largura do pico de XRD usando a equação de Scherrer e o método BJH da análise de isoterma de adsorção-dessorção de nitrogênio (Tabela 1). Assim, pequenas partículas primárias no ZrO ₂ MARIMO trouxe grande área de superfície, bem como estrutura porosa com a superfície nano-côncava-convexa. Portanto, muitos materiais irão interagir com a superfície nano-côncava-convexa e os poros do ZrO ₂ MARIMO.

Imagens SEM de a ampliação baixa e b grande ampliação do ZrO ₂ disponível comercialmente , c baixa ampliação e d grande ampliação de ZrO ₂ MARIMO e e ampliação baixa e f alta ampliação de ZrO sinterizado ₂ MARIMO

DSC é uma ferramenta poderosa para demonstrar a interação entre ZrO ₂ superfície de enchimento e moléculas orgânicas através de fenômenos endo ou exotérmicos [45]. Antes da decolagem da superfície de ZrO ₂ Preenchimentos MARIMO por polímeros, selecionamos o monômero NIPAM como moléculas de sonda para investigar a interação entre o ZrO ₂ superfície de preenchimento e moléculas de sonda orgânica por meio de DSC, uma vez que o ponto de fusão do monômero NIPAM é sensível à cristalinidade do sólido NIPAM [46]. Se o sólido NIPAM estiver embutido em poros de materiais hospedeiros, seu ponto de fusão mudaria para temperatura mais baixa, uma vez que a cristalinidade do sólido NIPAM de tamanho nanométrico incorporado com tamanho nanométrico nos poros dos materiais hospedeiros seria facilmente perturbado por alguma perturbação de parede do poro limite.

Os perfis DSC do próprio NIPAM, uma mistura de ZrO comercial ₂ nanopartículas e monômero NIPAM (comercial ZrO ₂ / NIPAM), uma mistura de ZrO ₂ Monômero MARIMO e NIPAM (ZrO ₂ MARIMO / NIPAM), e uma mistura de ZrO sinterizado ₂ Monômero MARIMO e NIPAM (sinterizado ZrO ₂ MARIMO / NIPAM) com diferentes ZrO ₂ / NIPAM proporções em peso são mostradas na Fig. S1, Fig. S2 e Fig. S3, respectivamente. O próprio monômero NIPAM mostrou um pico endotérmico atribuído ao seu ponto de fusão a 67,7 ° C. No caso de ZrO comercial ₂ / NIPAM, uma mudança de pico gradual simples dos perfis de DSC de 67,7 ° C (NIPAM) para 64,8 ° C foi observada de acordo com o ZrO ₂ mais alto conteúdo (Fig. S1, Tabela S1). Os picos endotérmicos a 64,8 ° C podem ser atribuídos ao ponto de fusão do sólido NIPAM situado entre o ZrO comercial ₂ partículas primárias.

Pelo contrário, as maiores mudanças de temperatura de 67,7 para 62,4 ° C foram reconhecidas de acordo com o ZrO ₂ mais alto Conteúdo do MARIMO até ZrO ₂ MARIMO / NIPAM =50/50 (% em peso) no caso de ZrO ₂ MARIMO / NIPAM (Fig. S2, Tabela S1). Essas grandes mudanças demonstram claramente que o ZrO ₂ MARIMO tem algum efeito positivo no estado sólido do monômero NIPAM embutido nos poros do MARIMO, onde o maior deslocamento dos picos endotérmicos pode corresponder à interação mais forte entre o ZrO ₂ superfície de enchimento e monômero NIPAM. No entanto, os picos endotérmicos foram deslocados para a direção oposta da temperatura mais alta de 65,2 ° C no ZrO ₂ / Relação NIPAM variando de 50/50 a 80/20 (% em peso). É difícil apresentar uma discussão conclusiva, mas os picos endotérmicos em 62,4 e 65,2 ° C podem ser atribuídos aos pontos de fusão de poros profundos incorporados sólidos NIPAM e grande quantidade de poros rasos em ZrO ₂ MARIMO, respectivamente. Quanto ao ZrO sinterizado ₂ MARIMO / NIPAM com a superfície lisa, mudanças de temperatura inferiores simples bastante semelhantes de picos endotérmicos foram mostrados em proporção ao ZrO sinterizado ₂ Conteúdo do MARIMO (Fig. S3, Tabela S1) semelhante aos resultados do ZrO comercial ₂ / NIPAM na Fig. S1.

Assim, a interação positiva encontrada entre o ZrO ₂ O monômero MARIMO e NIPAM seria vantajoso para a decolação do polímero no ZrO ₂ Superfície MARIMO.

Preparação de hidrogéis PNIPAM com ZrO ₂ Enchimentos

Para avaliar o efeito da estrutura da superfície do ZrO ₂ enchimentos além disso, hidrogéis PNIPAM com o ZrO ₂ Os enchimentos foram escolhidos, uma vez que a resistência dos hidrogéis PNIPAM eram sensíveis às propriedades dos enchimentos. Os hidrogéis PNIPAM foram preparados a partir de soluções aquosas contendo diferentes quantidades (20, 25 e 30% em peso) de NIPAM, KPS como iniciador radical e TMEDA. Quando o gel obtido a partir de 20% em peso de NIPAM foi deixado em temperatura ambiente, ele mudou para sol em 60 min (Fig. S4a). Por outro lado, nenhuma deformação estrutural da forma de hidrogel foi observada com os géis obtidos a partir de soluções NIPAM de 25 e 30% em peso (Fig. S4b-c). A tensão e a deformação foram 2,7 ± 0,2 kPa e acima de 930% para hidrogéis PNIPAM de 25% em peso e 7,8 ± 0,2 kPa e 716 ± 106% para hidrogéis de PNIPAM 30% em peso, respectivamente (Fig. S5 e Tabela S2). Em seguida, selecionamos o hidrogel PNIPAM de 30% em peso mais forte como uma matriz de polímero para avaliar o efeito do ZrO ₂ enchimentos.

O ZrO ₂ conteúdo de enchimento em hidrogéis PNIPAM foi então otimizado alterando a quantidade de ZrO comercial ₂ enchimento (0,002 (2a), 0,02 (2b) e 0,04% em peso (2c)) em 30% em peso de hidrogel PNIPAM. Consequentemente, o compósito 2a apresentou a maior resistência à tração (9,5 ± 0,7 kPa), enquanto o compósito 2b apresentou o maior alongamento (902 ± 28%) entre todos os compósitos (Fig. S6 e Tabela S3). A partir desses resultados, é difícil avaliar qual (alta resistência à tração ou longo alongamento) é adequado para a quantidade de enchimento para preparar o hidrogel de polímero. Em seguida, as áreas do perfil foram calculadas para estimar quanto trabalho seria necessário para quebrar esses compósitos. Consequentemente, o compósito 2b apresentou o maior trabalho entre todos os compósitos (Tabela S3).

Assim, as condições de 30% em peso de NIPAM e 0,02% em peso de ZrO ₂ enchimento foram fixados ao longo dos experimentos.

Ensaios mecânicos de tração de compostos de polímero

A resistência mecânica à tração obtida a partir das curvas de tensão-deformação é mostrada na Fig. 3. A tensão e a deformação máximas de cada composto estimado a partir dos ensaios mecânicos de tração estão resumidos na Tabela 2. O efeito da morfologia da superfície de ZrO ₂ enchimento em compósitos de polímero pode ser clarificado medindo a resistência à tração [41,42,43] de compósitos preparados com ZrO comercial ₂ (2b), com ZrO nano-côncavo-convexo ₂ MARIMO (3), com ZrO sinterizado ₂ MARIMO (4) com a superfície lisa. Como resultado, o compósito 3 contendo MARIMO com a superfície nano-côncava-convexa apresentou a maior resistência à tração final (9,2 ± 0,2 kPa) e o menor alongamento (746 ± 37%). No entanto, o compósito 4 contendo MARIMO sinterizado com uma superfície lisa exibiu uma fraca resistência à tração de 6,6 ± 0,3 kPa. Capacidades de alongamento de 2b (902 ± 28%) e 4 (903 ± 19%) eram quase as mesmas. Geralmente, o efeito âncora da superfície de preenchimento nas cadeias poliméricas e o deslizamento das cadeias poliméricas podem ser estimados a partir da tensão máxima e da deformação máxima, respectivamente, obtidas a partir de ensaios mecânicos de tração [47]. Os resultados obtidos indicam claramente que a superfície nano-côncava-convexa desempenhou um papel crítico na resistência à tração dos compósitos poliméricos como esperado, o que pode ser um efeito de ancoragem entre a superfície nano-côncava-convexa e as cadeias poliméricas nos compósitos poliméricos. . A fim de conhecer a microestrutura e distribuição do ZrO ₂ cargas, usamos compósitos poliméricos liofilizados para observação direta em MEV. Como resultado, confirmamos a rede de polímero uniforme de hidrogel, mas nenhuma agregação ou aglomeração de ZrO ₂ enchimentos foram observados (Fig. S7).

Curvas de tensão de tração para compósitos de hidrogel PNIPAM de 30% em peso com 0,02% em peso de ZrO ₂ enchimentos. Compósitos com 0,02% em peso de ZrO comercial ₂ (2b), com 0,02% em peso de ZrO de superfície nano-côncava-convexa ₂ MARIMO (3), e com 0,02% em peso de ZrO sinterizado ₂ MARIMO (4)

Efeito das propriedades da superfície do ZrO impregnado com polímero ₂ MARIMO

Para completar o estudo sistemático sobre a relação entre a superfície nano-côncava-convexa do ZrO ₂ Cadeias de carga e polímero MARIMO, modificamos o ZrO ₂ Superfície de preenchimento MARIMO por impregnação de polímero para mascarar a superfície nano-côncava-convexa. Aqui, selecionamos monômeros de vinil como HEMA, NIPAM, BMA e CHMA para serem impregnados nos poros de ZrO ₂ MARIMO. Polimerização dos monômeros impregnados em ZrO ₂ MARIMO foi obtido por irradiação UV na presença de um fotoiniciador (HCPK). O progresso da polimerização foi verificado por SEC do sobrenadante do ZrO ₂ impregnado Dispersão MARIMO / clorofórmio (Tabela S4). Todas as amostras tinham pesos moleculares de cerca de 1000. Em experimentos DRIFTS, não há pico significativo indicando interação entre o polímero e ZrO ₂ MARIMO (Fig. S8). Nesse sentido, estudamos a análise SEM e STEM-EDX para confirmar a impregnação. Conforme mostrado na Fig. 4, as morfologias esféricas MARIMO foram mantidas mesmo após os tratamentos de impregnação. A análise STEM-EDX (Fig. 5) mostra claramente que os átomos Zr, C, O e (N) foram homogeneamente distribuídos em todo o ZrO ₂ Enchimentos MARIMO. Esses resultados indicam que os monômeros foram uniformemente impregnados e polimerizados nas nanocavidades e poros do MARIMO.

Imagens SEM de a ZrO impregnado com HEMA ₂ MARIMO, b ZrO impregnado com NIPAM ₂ MARIMO, c ZrO impregnado com BMA ₂ MARIMO e d ZrO impregnado com CHMA ₂ MARIMO

TEM e STEM-EDX mapeando imagens de a ZrO impregnado com HEMA ₂ MARIMO, b ZrO impregnado com NIPAM ₂ MARIMO, c ZrO impregnado com BMA ₂ MARIMO e d ZrO impregnado com CHMA ₂ MARIMO

Ensaios mecânicos de tração em compostos de polímero

Existência do efeito de ancoragem da superfície nano-côncava-convexa de ZrO ₂ MARIMO foi estudado através de ensaios mecânicos de tração. Compósitos de polímero com ZrO impregnado com HEMA ₂ MARIMO (5), com ZrO impregnado com NIPAM ₂ MARIMO (6), com ZrO impregnado com BMA ₂ MARIMO (7), e com ZrO impregnado com CHMA ₂ MARIMO (8) foram preparados de acordo com os procedimentos semelhantes aos empregados para os compósitos 2b, 3 e 4. Como mostrado pelas resistências mecânicas à tração obtidas a partir das curvas tensão-deformação na Fig. 6, todos os compósitos 5-8 com polímero de vinil impregnado ZrO ₂ Os enchimentos MARIMO mostraram menor resistência à tração em comparação com o compósito 3 com o ZrO nano-côncavo-convexo ₂ Carga MARIMO (Tabela 3), sugerindo o efeito de ancoragem da superfície reduzido em todos os casos do ZrO impregnado com polímero ₂ Enchimentos MARIMO. Em vez disso, maior alongamento de todos os compósitos 5–8 com o ZrO impregnado com polímero ₂ As cargas MARIMO foram claramente observadas, o que pode ser atribuído ao deslizamento das cadeias de polímero da matriz nas superfícies das cargas MARIMO impregnadas com polímero. Assim, ZrO ₂ impregnado com polímero As cargas MARIMO em compósitos poliméricos induziram menor resistência à tração e melhoraram a capacidade de alongamento dos compósitos. Recorrendo ao protótipo ZrO ₂ MARIMO, a superfície nano-côncava-convexa desempenhou um papel positivo na resistência à tração dos compósitos poliméricos.

Curvas de tensão de tração para compósitos de hidrogel PNIPAM de 30% em peso com ZrO de superfície nano-côncava-convexa 0,02% em peso ₂ MARIMO (3), com 0,02% em peso de ZrO impregnado com HEMA ₂ MARIMO (5), com 0,02% em peso de ZrO impregnado com NIPAM ₂ MARIMO (6), com 0,02% em peso de ZrO impregnado com BMA ₂ MARIMO (7), e com 0,02% em peso de ZrO impregnado com CHMA ₂ MARIMO (8)

Conclusão

Modificação da superfície de um ZrO ₂ O enchimento MARIMO com uma estrutura nano-côncava-convexa revelou a importância das interações de ancoragem em nanoescala entre a superfície do enchimento e as cadeias de polímero da matriz por meio de ensaios mecânicos de tração. Para investigar o efeito da estrutura nano-côncava-convexa, modificamos o ZrO ₂ Superfície de preenchimento MARIMO por (i) calcinação do ZrO ₂ MARIMO para alisar a superfície nano-côncava-convexa e (ii) impregnação de polímeros no ZrO ₂ MARIMO poros para mascarar a superfície nano-côncava-convexa. Ensaios mecânicos de tração foram aplicados para estimar a interação entre a superfície das cargas e as cadeias poliméricas nos compósitos poliméricos. Os compósitos de polímero contendo um ZrO nano-côncavo-convexo ₂ O enchimento MARIMO apresentou a maior resistência à tração, enquanto impregnava o ZrO ₂ com polímero Os enchimentos MARIMO causaram o grande alongamento. Assim, a superfície nano-côncava-convexa do ZrO ₂ O enchimento MARIMO interagiu positivamente com as cadeias de polímero da matriz para melhorar a capacidade de resistência à tração, enquanto o polímero mascarava a superfície nano-côncava-convexa do ZrO ₂ As cargas MARIMO melhoraram a capacidade de alongamento. Consequentemente, o design racional da superfície de preenchimento nos permitiu entender a interação em nanoescala da superfície de preenchimento com a matriz do polímero por meio de ensaios mecânicos de tração em macroescala. Diferentes tipos de monômeros ou polímeros, como monômeros ou polímeros iônicos, hidrofílicos e hidrofóbicos, podem ser incorporados aos enchimentos MARIMO pela técnica de impregnação simples para controlar as propriedades dos enchimentos MARIMO. Estudos adicionais sobre a melhor dispersão de ZrO ₂ enchimento em meio aquoso está em andamento.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados relevantes que apóiam os resultados deste estudo estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação.

Abreviações

BET:: Brunauer – Emmett – Teller
BF:: Campo brilhante
BJH:: Barrett – Joyner – Halenda
BMA:: Metacrilato de benzila
CHMA:: Metacrilato de ciclohexila
DRIFTS:: Espectroscopia de transformada de Fourier infravermelha de refletância difusa
DSC:: Calorimetria de varrimento diferencial
HCPK:: 1-hidroxiciclohexil fenil cetona
HEMA:: Metacrilato de 2-hidroxietil
KPS:: Persulfato de potássio
MARIMO:: Óxido de metal integrado arredondado com arquitetura micro / mesoporosa
NIPAM:: N -Isopropilacrilamida
PNIPAM:: Poli ( N -isopropilacrilamida)
SEC:: Cromatografia de exclusão de tamanho
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
TMEDA:: N, N, N ', N' -tetrametiletilenodiamina
XRD:: Difratometria de raios x
ZrO ₂ :: Zircônia