Effet à l'échelle nanométrique de la surface de remplissage de zircone sur la résistance à la traction mécanique des composites polymères

Introduction

Les nanomatériaux sont parmi les matériaux avancés les plus intrigants dans de nombreux domaines de recherche et d'application [1,2,3,4,5], car leurs propriétés physiques/chimiques intrinsèques sont si différentes de celles des matériaux en vrac [6,7,8,9 ]. Lorsque des nanomatériaux sont appliqués en tant que charges de composites polymères, des différences minimes dans les charges, telles que la surface, la structure de surface et la morphologie des particules des nanomatériaux, entraînent des changements drastiques dans les propriétés à grande échelle des composites [10].

Par exemple, l'incorporation de composants inorganiques dans les polymères a amélioré les propriétés physiques et chimiques, telles que la stabilité thermique, la résistance mécanique, la dispersibilité et la solubilité [11,12,13,14].

Cependant, une étude systématique n'a pas réussi à clarifier la relation entre les propriétés à l'échelle nanométrique des nanomatériaux, c'est-à-dire la structure, la morphologie et la surface, et les propriétés physiques et mécaniques à l'échelle macro des composites.

Nanomatériaux d'oxyde métallique poreux tels que le dioxyde de silicium [15,16,17], le dioxyde de titane [18,19,20], le dioxyde de zirconium [21,22,23], le dioxyde de cérium [24,25,26] et d'autres matériaux [ 27,28,29] avec de grandes surfaces ont été appliqués dans la catalyse chimique, l'absorption de gaz, la séparation, l'administration de médicaments et les matériaux de stockage d'énergie [30,31,32,33,34,35]. Dans ce contexte, notre groupe a développé des assemblages uniques de nanoparticules d'oxyde métallique avec des morphologies sphériques de taille submicronique par une approche solvothermique simple en un seul pot et en une seule étape [36]. Nous avons nommé ces matériaux m icro/m ésoporement a architecturé r tout à fait i m intégré et autres o xides (MARIMOs). Ceux-ci produisent une rugosité de surface à l'échelle nanométrique et une grande surface. Par exemple, TiO₂ MARIMO a une surface nano-concave-convexe en raison de ses nombreuses particules primaires fines inhérentes d'un diamètre d'env. 5 nm et surface spécifique élevée (400 m ² g ⁻¹ ) [35]. Dans des recherches antérieures, nous avons appliqué ces matériaux uniques pour prendre en charge des catalyseurs nanométalliques non homogènes et des matériaux d'anode pour les batteries rechargeables. Dans les supports de catalyseur, des nanoparticules d'Au très dispersées sur le TiO₂ La surface de support MARIMO a amélioré l'activité catalytique et a amélioré la durabilité du catalyseur à haute température [37]. Dans le matériau d'anode, Nb₂ O₅ -TiO₂ MARIMO a augmenté la capacité actuelle et la durée de vie des batteries [38]. De plus, TiO₂ des faisceaux de nanofibres avec une morphologie de brosse à joues ont amélioré la résistance mécanique d'un hydrogel polymère lorsqu'il est utilisé comme charge [39].

L'effet d'ancrage à l'échelle nanométrique et microscopique est le plus important dans le mécanisme adhésif. Nous considérons que ces MARIMO avec des structures de surface nano-concave-convexe, des surfaces énormes et des structures poreuses seraient appropriés pour clarifier la relation entre les propriétés de surface à l'échelle nanométrique et les propriétés des matériaux à l'échelle macro, puisque les propriétés de surface de MARIMO peuvent être facilement ajustées par traitement thermique et décoration polymère (Fig. 1). Par exemple, le traitement thermique de MARIMO crée une surface lisse avec une surface réduite et une porosité plus faible. L'imprégnation [40] de monomères ou de polymères dans les pores du MARIMO doit masquer la surface nano-concave-convexe du MARIMO. Ainsi, dans cet article, une nouvelle méthode de modification de la surface de remplissage par imprégnation de polymères pour masquer la forme nano-concave-convexe de MARIMO a été étudiée pour démontrer l'effet nano-ancrage de la surface de remplissage. Ici, nous avons sélectionné une zircone (ZrO₂ ) MARIMO comme charge pour améliorer les propriétés mécaniques des composites polymères, depuis ZrO₂ la charge présente de meilleures propriétés telles que la résistance chimique, en particulier pour les acides, la résistance mécanique et la stabilité thermique, ce qui serait favorable pour que la matrice polymère conduise à des composites polymères durables [41,42,43]. Les monomères, le méthacrylate de 2-hydroxyéthyle (HEMA), le méthacrylate de benzyle (BMA) et le méthacrylate de cyclohexyle (CHMA), et leurs polymères ont été sélectionnés pour modifier la surface nano-concave-convexe de ZrO₂ Remplisseurs MARIMO. Poly(N L'hydrogel -isopropylacrylamide) (PNIPAM) a été choisi comme matrice pour les composites polymères.

Schéma de modification de surface de ZrO₂ MARIMO par traitement thermique et imprégnation avec monomère/polymère

Il existe plusieurs approches pour estimer les interactions physiques et chimiques entre les surfaces de remplissage et les chaînes polymères dans les composites polymères. La thermogravimétrie, la spectroscopie UV-visible, la spectroscopie FT-IR et la microscopie en sont les représentants. Ici, nous avons adopté les essais de traction mécanique comme technique alternative relativement simple, facile et rapide. Il existe quelques rapports sur la propriété mécanique des hydrogels avec de l'oxyde de graphène et du ZrO₂ poudre [44, 45], qui diffère du nôtre par un système simple composé uniquement de zircone et d'une matrice polymère. À notre connaissance, aucun rapport sur la relation entre les changements nanostructuraux dans les surfaces de remplissage et les chaînes polymères dans les composites polymères n'a été publié.

Méthodes

Matériaux

N -isopropylacrylamide (NIPAM), N,N,N',N' -tétraméthyléthylènediamine (TMEDA), persulfate de potassium (KPS) et zircone commerciale (ZrO₂ commercial ) ont été achetés auprès de FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation. HEMA, BMA, CHMA et 1-hydroxycyclohexyl phényl cétone (HCPK) ont été achetés auprès de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Tous les réactifs ont été utilisés tels qu'ils ont été reçus. ZrO₂ MARIMO a été obtenu auprès d'UJIDEN Chemical Industry Co., Ltd.

Préparation de ZrO imprégné HEMA, NIPAM, BMA et CHMA₂ Remplisseurs MARIMO

Une méthode d'imprégnation pour la préparation de catalyseur nanométallique supporté [40] a été appliquée pour obtenir du ZrO₂ imprégné de HEMA Remplisseur MARIMO. ZrO₂ MARIMO a été séché à 80 °C sous vide pendant 12 h. Ensuite, 20 L d'un mélange HEMA/HCPK (20/1, mol/mol) ont été ajoutés à 200 mg de ZrO₂ séché sous vide MARIMO, et le mélange a été bien mélangé manuellement avec un mortier et un pilon. Il a ensuite été irradié avec de la lumière UV pendant 1 h avec un mélange intermittent toutes les 15 min. Des procédures similaires ont été utilisées pour préparer le ZrO₂ imprégné de NIPAM, BMA et CHMA. Remplisseurs MARIMO.

Préparation des Hydrogels PNIPAM avec ZrO₂ Remplisseurs

Hydrogels constitués de PNIPAM et de ZrO₂ les charges ont été préparées selon une méthode précédemment rapportée [37]. ZrO₂ MARIMO (24 mg, 0,02 % en poids) a été dispersé dans 115 ml d'eau osmosée avec N₂ bouillonnant avant d'ajouter du NIPAM (36 g, 30 % en poids) à la solution. Le mélange a été agité pendant 30 min, puis du KPS (0,18 g, 0,67 mmol) dans de l'eau (5 ml) et du TMEDA (1,8 ml, 12 mmol) ont été successivement ajoutés. Le mélange a été soigneusement transféré dans plusieurs tubes de verre d'un diamètre intérieur de 1,0 cm. Le volume mort supérieur des tubes a été purgé au N₂ et les tubes de verre ont été fermés hermétiquement avec des bouchons à vis puis laissés à 25 °C. Après 3 jours, les tubes de verre ont été coupés et les hydrogels polymères ont été retirés. Les tiges d'hydrogel obtenues avec un diamètre de 1,0 cm et une longueur de 3,0 cm ont été utilisées pour les mesures de résistance mécanique. Des procédures similaires ont permis d'obtenir des composites PNIPAM avec du ZrO₂ imprégné de HEMA, de NIPAM, de BMA et de CHMA Remplisseurs MARIMO.

Essais de traction mécanique des composites polymères

Des essais de traction mécanique ont été appliqués aux éprouvettes dans le sens axial. La longueur déformée du composite (contrainte) et la force appliquée (contrainte) ont été mesurées à l'aide d'un testeur de traction (ET MCT-2150) avec une vitesse de traverse de 50 mm min ⁻¹ à température ambiante. Sur les tests de traction de tous les échantillons composites, le pourcentage d'allongement, 930%, est la limitation de la machine d'essai de traction. Dix échantillons composites ont été utilisés pour les essais de traction mécanique, et au moins sept échantillons ont été utilisés pour l'analyse des données. Nous notons que les composites contenant de la bulle, fissuré par le verre et fissuré par la prise de la machine d'essai de traction ont été omis de l'analyse des données pour garantir la qualité des données. Les résultats sont présentés en moyenne ± écart type.

Méthodes de caractérisation

La microscopie électronique à balayage (MEB) a été réalisée sur un microscope Hitachi SU8020 FE-SEM. Des images de microscopie électronique à transmission (MET) ont été obtenues avec un microscope JEOL JEM-2100F. La cartographie STEM-EDX a été réalisée en mode fond clair (BF) et réalisée sur un spectromètre Oxford INCA X-max 80 EDX. La diffractométrie des rayons X (XRD) a été réalisée sur un diffractomètre Rigaku SmartLab (rayonnement Cu Kα, détecteur D/teX Ultra 250). Les isothermes d'adsorption-désorption d'azote ont été obtenus à l'aide d'un instrument BEL Japan Inc. Belsorp Mini (II). Les surfaces spécifiques ont été calculées à l'aide de la méthode Brunauer–Emmett–Teller (BET), et la distribution de la taille des pores a été dérivée par la méthode Barrett–Joyner–Halenda (BJH). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été réalisée avec le DSC7000X de Hitachi High-Tech Science Corporation à une vitesse de balayage de 10 °C min ^-1 de 0 à 100 °C dans une atmosphère d'azote en trois balayages. La chromatographie d'exclusion stérique (SEC) a été réalisée à l'aide d'une pompe JASCO PU-2080 Plus avec deux colonnes de gel (KF-804L et KF-806L) et un détecteur RI intelligent RI-2031 Plus dans le chloroforme calibré avec des étalons de polystyrène à 40 °C. La spectroscopie à transformée de Fourier infrarouge à réflectance diffuse (DRIFTS) a été réalisée sur un FT/IR-4600 de JASCO Corporation, et les spectres effectuaient des transformations de Kubelka-Munk.

Résultats et discussion

Propriétés de surface de ZrO₂ MARIMO

Propriétés physiques de ZrO₂ les charges ont été évaluées par la méthode BET, XRD et SEM. Un matériau de référence, commercial ZrO₂ nanoparticules, ont montré une morphologie grossièrement agrégée (Fig. 2a,b) avec une surface spécifique de 20 m ² g ⁻¹ (Tableau 1). Inversement, ZrO₂ MARIMO présentait une morphologie mésoporeuse sphérique (Fig. 2c,d) avec une surface spécifique énorme (283 m ² g ⁻¹ ), qui est 14 fois plus gros que celui du ZrO₂ commercial nanoparticules. ZrO₂ fritté MARIMO obtenu par chauffage à 700 °C pendant 3 h sous air a présenté une faible surface spécifique de 6 m ² g ⁻¹ comme prévu (Fig. 2e,f). L'extrême réduction de la surface spécifique indique que la taille des particules primaires du fritté ZrO₂ MARIMO a été augmenté par le chauffage, ce qui a été confirmé par l'estimation de la taille des particules primaires à partir de la largeur du pic XRD à l'aide de l'équation de Scherrer et de la méthode BJH à partir de l'analyse isotherme d'adsorption-désorption d'azote (tableau 1). Ainsi, de minuscules particules primaires dans le ZrO₂ MARIMO a apporté une surface énorme ainsi qu'une structure poreuse avec la surface nano-concave-convexe. Par conséquent, une grande quantité de matériaux interagira avec la surface nano-concave-convexe et les pores du ZrO₂ MARIMO.

Images SEM de a faible grossissement et b fort grossissement du ZrO₂ disponible dans le commerce , c faible grossissement et d fort grossissement de ZrO₂ MARIMO, et e faible grossissement et f fort grossissement du ZrO₂ fritté MARIMO

DSC est un outil puissant pour démontrer l'interaction entre ZrO₂ surface de remplissage et molécules organiques par des phénomènes endo- ou exothermiques [45]. Avant le décollement de surface de ZrO₂ Charges MARIMO par des polymères, nous avons sélectionné le monomère NIPAM comme molécules sondes pour étudier l'interaction entre le ZrO₂ surface de remplissage et molécules sondes organiques au moyen de DSC, car le point de fusion du monomère NIPAM est sensible à la cristallinité du solide NIPAM [46]. Si le solide NIPAM est incrusté dans les pores des matériaux hôtes, son point de fusion se déplacerait vers une température plus basse, car la cristallinité du solide NIPAM nanométrique intégré avec une taille nanométrique dans les pores des matériaux hôtes serait facilement perturbée par une certaine perturbation de mur de pore de limite.

Les profils DSC du NIPAM lui-même, un mélange de ZrO₂ commercial nanoparticules et monomère NIPAM (commercial ZrO₂ /NIPAM), un mélange de ZrO₂ Monomère MARIMO et NIPAM (ZrO₂ MARIMO/NIPAM), et un mélange de ZrO₂ fritté Monomère MARIMO et NIPAM (fritté ZrO₂ MARIMO/NIPAM) avec différents ZrO₂ Le rapport pondéral /NIPAM est indiqué sur la figure S1, la figure S2 et la figure S3, respectivement. Le monomère NIPAM lui-même a montré un pic endothermique attribué à son point de fusion à 67,7 °C. Dans le cas du ZrO₂ commercial /NIPAM, un simple décalage de pic graduel des profils DSC de 67,7 °C (NIPAM) à 64,8 °C a été observé conformément au ZrO₂ plus élevé contenu (Fig. S1, Tableau S1). Les pics endothermiques à 64,8 °C peuvent être attribués au point de fusion du solide NIPAM situé entre le ZrO₂ commercial particules primaires.

Au contraire, les écarts de température plus importants de 67,7 à 62,4 °C ont été reconnus conformément au ZrO₂ plus élevé Contenu MARIMO jusqu'à ZrO₂ MARIMO/NIPAM =50/50 (% en poids) dans le cas de ZrO₂ MARIMO/NIPAM (Fig. S2, Tableau S1). Ces grands décalages démontrent clairement que le ZrO₂ MARIMO a un effet positif sur l'état solide du monomère NIPAM intégré dans les pores de MARIMO, où le plus grand décalage des pics endothermiques pourrait correspondre à l'interaction plus forte entre le ZrO₂ surface de remplissage et monomère NIPAM. Cependant, les pics endothermiques ont été déplacés dans la direction opposée d'une température plus élevée de 65,2 °C au ZrO₂ Ratio /NIPAM allant de 50/50 à 80/20 (% en poids). Il est difficile de proposer une discussion concluante, mais les pics endothermiques à 62,4 et 65,2 °C pourraient être attribués aux points de fusion des pores profonds noyés dans le solide NIPAM et à une grande quantité de pores peu profonds dans le ZrO₂ MARIMO, respectivement. Quant au fritté ZrO₂ MARIMO/NIPAM avec la surface lisse, des changements de température inférieurs simples assez similaires des pics endothermiques ont été montrés en proportion du ZrO₂ fritté Contenu MARIMO (Fig. S3, Tableau S1) similaire aux résultats du ZrO₂ commercial /NIPAM sur la figure S1.

Ainsi, l'interaction positive trouvée entre le ZrO₂ Le monomère MARIMO et NIPAM serait avantageux pour la décollation du polymère sur le ZrO₂ surface MARIMO.

Préparation des Hydrogels PNIPAM avec ZrO₂ Remplisseurs

Pour évaluer l'effet de la structure de surface du ZrO₂ charges plus loin, hydrogels PNIPAM avec le ZrO₂ les charges ont été choisies, car la résistance des hydrogels PNIPAM était sensible aux propriétés des charges. Les hydrogels de PNIPAM ont été préparés à partir de solutions aqueuses contenant différentes quantités (20, 25 et 30 % en poids) de NIPAM, de KPS en tant qu'initiateur de radicaux et de TMEDA. Lorsque le gel obtenu à partir de 20 % en poids de NIPAM a été laissé à température ambiante, il s'est transformé en sol dans les 60 minutes (Fig. S4a). A l'inverse, aucune déformation structurelle de la forme de l'hydrogel n'a été observée avec les gels obtenus à partir de solutions de NIPAM à 25 et 30 % en poids (Fig. S4b–c). La contrainte et la déformation étaient de 2,7 ± 0,2 kPa et supérieures à 930 % pour les hydrogels PNIPAM à 25 % en poids, et de 7,8 ± 0,2 kPa et 716 ± 106 % pour les hydrogels PNIPAM à 30 % en poids, respectivement (Fig. S5 et tableau S2). Ensuite, nous avons sélectionné l'hydrogel PNIPAM à 30% en poids comme matrice polymère pour évaluer l'effet du ZrO₂ charges.

Le ZrO₂ le contenu de remplissage dans les hydrogels PNIPAM a ensuite été optimisé en modifiant la quantité de ZrO₂ commercial charge (0,002 (2a), 0,02 (2b) et 0,04 % en poids (2c)) dans 30 % en poids d'hydrogel PNIPAM. Par conséquent, le composite 2a a montré la résistance à la traction la plus élevée (9,5 ± 0,7 kPa), tandis que le composite 2b a montré l'allongement le plus élevé (902 ± 28 %) parmi tous les composites (Fig. S6 et Tableau S3). A partir de ces résultats, il est difficile de juger laquelle (résistance à la traction élevée ou allongement long) convient à la quantité de charge pour préparer l'hydrogel polymère. Ensuite, les zones de profil ont été calculées pour estimer la quantité de travail nécessaire pour briser ces composites. Par conséquent, le composite 2b a montré le travail le plus élevé parmi tous les composites (tableau S3).

Ainsi, les conditions de 30 % en poids de NIPAM et de 0,02 % en poids de ZrO₂ remplissage ont été corrigés tout au long des expériences.

Essais de traction mécanique des composites polymères

La résistance à la traction mécanique obtenue à partir des courbes contrainte-déformation est illustrée à la figure 3. La contrainte et la déformation maximales de chaque composite estimées à partir des essais de traction mécanique sont résumées dans le tableau 2. L'effet de la morphologie de surface de ZrO_{2 la charge sur les composites polymères peut être clarifiée en mesurant la résistance à la traction [41,42,43] des composites préparés avec du ZrO2 commercial (2b), avec ZrO2 nano-concave-convexe MARIMO (3), avec et fritté ZrO2 MARIMO (4) avec la surface lisse. En conséquence, le composite 3 contenant MARIMO avec la surface nano-concave-convexe a montré la résistance à la traction ultime la plus élevée (9,2 ± 0,2 kPa) et l'allongement le plus faible (746 ± 37 %). Cependant, le composite 4 contenant du MARIMO fritté avec une surface lisse présentait une mauvaise résistance à la traction de 6,6 ± 0,3 kPa. Les capacités d'allongement de 2b (902 ± 28%) et 4 (903 ± 19%) étaient presque les mêmes. Généralement, l'effet d'ancrage de la surface de remplissage sur les chaînes polymères et le glissement des chaînes polymères peuvent être estimés à partir de la contrainte maximale et de la déformation maximale, respectivement, obtenues à partir d'essais de traction mécanique [47]. Les résultats obtenus indiquent clairement que la surface nano-concave-convexe a joué un rôle critique dans la résistance à la traction des composites polymères comme prévu, ce qui peut être un effet d'ancrage entre la surface nano-concave-convexe et les chaînes polymères dans les composites polymères . Afin de connaître la microstructure et la distribution de ZrO2 charges, nous avons utilisé des composites polymères lyophilisés pour l'observation directe au MEB. En conséquence, nous avons confirmé le réseau polymère uniforme de l'hydrogel mais aucune agrégation ni agglomération de ZrO2 des charges a été observée (Fig. S7).}

Courbes de traction-déformation pour les composites d'hydrogel PNIPAM à 30 % en poids avec 0,02 % en poids de ZrO₂ charges. Composites avec 0,02 % en poids de ZrO₂ commercial (2b), avec 0,02 % en poids de surface nano-concave-convexe ZrO₂ MARIMO (3), et avec 0,02 % en poids de ZrO₂ fritté MARIMO (4)

Effet des propriétés de surface du ZrO imprégné de polymère₂ MARIMO

Pour compléter l'étude systématique sur la relation entre la surface nano-concave-convexe du ZrO₂ Remplissage MARIMO et chaînes polymères, nous avons modifié le ZrO₂ Surface de remplissage MARIMO par imprégnation polymère pour masquer la surface nano-concave-convexe. Ici, nous avons sélectionné des monomères vinyliques tels que HEMA, NIPAM, BMA et CHMA à imprégner dans les pores de ZrO₂ MARIMO. Polymérisation des monomères imprégnés en ZrO₂ MARIMO a été réalisé par irradiation UV en présence d'un photoinitiateur (HCPK). L'avancement de la polymérisation a été vérifié par SEC du surnageant du ZrO₂ imprégné Dispersion MARIMO/chloroforme (tableau S4). Tous les échantillons avaient des poids moléculaires d'environ 1000. Sur les expériences DRIFTS, il n'y a pas de pic significatif indiquant une interaction entre le polymère et le ZrO₂ MARIMO (Fig. S8). Dans ce sens, nous avons étudié les analyses SEM et STEM-EDX pour confirmer l'imprégnation. Comme le montre la figure 4, les morphologies sphériques de MARIMO ont été conservées même après les traitements d'imprégnation. L'analyse STEM-EDX (Fig. 5) montre clairement que les atomes de Zr, C, O et (N) étaient répartis de manière homogène dans tout le ZrO₂ Remplisseurs MARIMO. Ces résultats indiquent que les monomères ont été uniformément imprégnés et polymérisés dans les nanocavités et les pores du MARIMO.

Images SEM de a ZrO₂ imprégné HEMA MARIMO, b ZrO₂ imprégné NIPAM MARIMO, c ZrO₂ imprégné de BMA MARIMO, et d ZrO₂ imprégné de CHMA MARIMO

Images cartographiques TEM et STEM-EDX de a ZrO₂ imprégné HEMA MARIMO, b ZrO₂ imprégné NIPAM MARIMO, c ZrO₂ imprégné de BMA MARIMO, et d ZrO₂ imprégné de CHMA MARIMO

Essais de traction mécanique des composites polymères

Existence de l'effet d'ancrage de la surface nano-concave-convexe de ZrO₂ MARIMO a été étudié par des essais de traction mécanique. Composites polymères avec ZrO₂ imprégné HEMA MARIMO (5), avec ZrO₂ imprégné NIPAM MARIMO (6), avec ZrO₂ imprégné de BMA MARIMO (7), et avec ZrO₂ imprégné de CHMA MARIMO (8) ont été préparés selon des procédures similaires à celles utilisées pour les composites 2b, 3 et 4. Comme le montrent les résistances à la traction mécaniques obtenues à partir des courbes contrainte-déformation de la figure 6, tous les composites 5 à 8 avec un polymère vinylique imprégné ZrO₂ Les charges MARIMO ont montré une résistance à la traction inférieure à celle du composite 3 avec le ZrO₂ nano-concave-convexe Remplissage MARIMO (tableau 3), suggérant l'effet d'ancrage de la surface réduit dans tous les cas du polymère imprégné ZrO₂ Remplisseurs MARIMO. Au lieu de cela, allongement plus élevé de tous les composites 5-8 avec le polymère ZrO₂ imprégné de polymère Des charges MARIMO ont été clairement observées, ce qui peut être attribué au glissement des chaînes polymères de la matrice sur les surfaces de charge MARIMO imprégnées de polymère. Ainsi, le ZrO₂ imprégné de polymère Les charges MARIMO dans les composites polymères ont induit une résistance à la traction inférieure et une capacité d'allongement améliorée des composites. Passage au prototype ZrO₂ MARIMO, la surface nano-concave-convexe a joué un rôle positif dans la résistance à la traction des composites polymères.

Courbes contrainte-déformation de traction pour 30 % en poids de composites hydrogel PNIPAM avec 0,02 % en poids de surface nano-concave-convexe ZrO₂ MARIMO (3), avec 0,02 % en poids de ZrO₂ imprégné d'HEMA MARIMO (5), avec 0,02 % en poids de ZrO₂ imprégné de NIPAM MARIMO (6), avec 0,02 % en poids de ZrO₂ imprégné de BMA MARIMO (7), et avec 0,02 % en poids de ZrO₂ imprégné de CHMA MARIMO (8)

Conclusion

Modification de surface d'un ZrO₂ La charge MARIMO avec une structure nano-concave-convexe a révélé l'importance des interactions d'ancrage à l'échelle nanométrique entre la surface de la charge et les chaînes polymères de la matrice via des essais de traction mécanique. Pour étudier l'effet de la structure nano-concave-convexe, nous avons modifié le ZrO₂ Surface de remplissage MARIMO par (i) calcination du ZrO₂ MARIMO pour lisser la surface nano-concave-convexe et (ii) imprégner des polymères dans le ZrO₂ Pores MARIMO pour masquer la surface nano-concave-convexe. Des essais de traction mécanique ont été appliqués pour estimer l'interaction entre la surface des charges et les chaînes polymères dans les composites polymères. Les composites polymères contenant un ZrO₂ nano-concave-convexe La charge MARIMO a montré la résistance à la traction la plus élevée, tout en imprégnant le polymère ZrO₂ Les charges MARIMO ont causé le grand allongement. Ainsi, la surface nano-concave-convexe du ZrO₂ La charge MARIMO a interagi positivement avec les chaînes polymères de la matrice pour améliorer la capacité de résistance à la traction, tout en masquant la surface nano-concave-convexe du ZrO₂ Les charges MARIMO ont amélioré la capacité d'allongement. Par conséquent, la conception rationnelle de la surface de remplissage nous a permis de comprendre l'interaction à l'échelle nanométrique de la surface de remplissage avec la matrice polymère grâce à des essais de traction mécanique à macro-échelle. Différents types de monomères ou polymères, tels que des monomères ou polymères ioniques, hydrophiles et hydrophobes, peuvent être incorporés dans les charges MARIMO par la simple technique d'imprégnation pour contrôler les propriétés des charges MARIMO. D'autres études sur une meilleure dispersion de ZrO₂ remplissage dans un milieu aqueux est maintenant en cours.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données pertinentes à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

Abréviations

BET :

Brunauer–Emmett–Teller

BF :

Fond clair

BJH :

Barrett–Joyner–Halenda

BMA :

Méthacrylate de benzyle

CHMA :

Méthacrylate de cyclohexyle

DÉRIVES :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance diffuse

DSC :

Calorimétrie différentielle à balayage

HCPK :

1-Hydroxycyclohexyl phényl cétone

HEMA :

Méthacrylate de 2-hydroxyéthyle

KPS :

Persulfate de potassium

MARIMO :

Oxyde de métal à architecture micro/mésoporeuse à intégration ronde

NIPAM :

N -Isopropylacrylamide

PNIPAM :

Poly(N -isopropylacrylamide)

SEC :

Chromatographie d'exclusion stérique

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TMEDA :

N,N,N',N' -tétraméthyléthylènediamine

XRD :

Diffractométrie aux rayons X

ZrO₂ :

Zircone