小纳米粒子在聚合物材料中提供显着改进 2017-04-03 08:13:18

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左边描绘的是,小纳米粒子粘附在聚合物链段上,与纳米粒子本身大小相同;这些相互作用产生了一种更容易加工的聚合物纳米复合材料,因为纳米粒子快速移动,快速使材料粘度降低

在右边,聚合物链的许多区段粘附到更大的纳米粒子上,使得纳米粒子难以移动其较慢的运动导致橡胶岭国家实验室的新研究表明,混合纳米颗粒和聚合物能够显着改善聚合物材料的性能聚合物纳米复合材料将聚合物颗粒的十亿分之一米(纳米,nm)混合在一起长链分子链通常用于制造注塑产品,它们在汽车,阻燃剂,包装材料,给药系统,医疗器械,涂料,粘合剂,传感器,膜和消费品中很常见当由该部门领导的团队能源公司的橡树岭国家实验室试图证实缩小纳米粒子尺寸会对聚合物纳米复合材料的力学性能产生不利影响,他们得到了一个惊喜“我们发现小纳米粒子的效果出乎意料地大,”ORNL的Shiwang Cheng说,伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的ORNL科学家团队田纳西大学诺克斯维尔分校(UTK)报告了他们在ACS Nano Blending纳米粒子和聚合物杂志中的发现,使聚合物材料的性能得到显着改善纳米粒子尺寸,空间组织和与聚合物链的相互作用对于确定复合材料的行为至关重要了解科学家可以调整机械,化学,电学,光学和热学特性,这些影响将有助于改进新复合聚合物的设计

直到最近,科学家认为必须存在最佳纳米粒子尺寸

减小尺寸只会达到一定程度,如同最小的颗粒倾向于在低负荷和聚集时塑化在高负载下,这两者都会损害聚合物纳米复合材料的宏观性能ORNL主导的研究比较了含有直径18 nm的颗粒和直径为25 nm的颗粒的聚合物纳米复合材料

大多数常规聚合物纳米复合材料含有直径10-50 nm的颗粒明天,新颖聚合物纳米复合材料可能含有直径小于10纳米的纳米颗粒,使大颗粒纳米颗粒无法实现新的性能良好分散的小“粘性”纳米颗粒改善了性能,其中一个打破记录:提高材料温度低于10摄氏度导致快速粘度降低百万倍纯聚合物(没有纳米颗粒)或含有大纳米颗粒的复合材料需要温度升高至少30摄氏度才能达到相同的效果“我们看到范例的转变,真正的小纳米颗粒可以进入全新的房产,“ORNL和UTK的阿列克谢·索科洛夫说由于小颗粒比大颗粒更快地移动并且与同一链上更少的聚合物链相互作用,因此更容易获得新特性

许多聚合物链段粘附在大纳米颗粒上,使链从该纳米颗粒中解离变得困难“现在我们意识到我们可以调整粒子的移动性 - 它们移动的速度,通过改变粒子大小,以及它们与聚合物相互作用的强度,通过改变它们的表面,“Sokolov说”我们可以调整复合材料的特性而不是大于我们可以用更大的纳米粒子实现“更好的结合ORNL主导的研究需要材料科学,化学,物理学,计算科学和理论方面的专业知识”橡树岭国家实验室的主要优势在于我们可以组建一个大型的协作团队,“ Sokolov表示Cheng和UTK的Bobby Carroll进行了他们用Sokolov宽带介电谱设计的实验跟踪了它的运动与纳米粒子相关的聚合物链段量热法揭示了固体复合物转变为液体的温度使用小角度X射线散射,Halie Martin(UTK)和Mark Dadmun(UTK和ORNL)表征聚合物中的纳米粒子分散 为了更好地理解实验结果并将它们与基本的相互作用,动力学和结构联系起来,该团队转向大规模建模和模拟(由ORNL的Bobby Sumpter和Jan-Michael Carrillo提供),由美国能源部办公室橡树岭领导计算机构实现

ORNL的科学用户设施“我们花了很多时间来弄清楚这些颗粒如何影响聚合物链的节段运动,”Cheng说“这些东西无法通过宏观实验来形象化

计算机模拟的美妙之处在于它们可以向您展示链如何移动以及粒子如何移动,因此该理论可用于预测温度依赖性“伊利诺伊州的Shi-Jie Xie和Kenneth Schweizer创造了对这种纳米复合材料中集体活化动力学的新的基本理论描述

定量应用它来理解新的实验现象该理论能够预测可用于的物理行为制定优化材料特性的设计规则Carrillo和Sumpter在美国最强大的超级计算机Titan上开发并运行模拟,并编写代码来分析Rhea集群的数据.LAMMPS分子动力学代码计算了纳米粒子相对于聚合物链段的移动速度以及如何长的聚合物链段粘在纳米颗粒上“我们需要Titan来快速转换结果,以便在相当大的系统(200,000到400,000个颗粒)中运行很长时间(1亿步)这些模拟可以计算聚合物和纳米颗粒的动态在相对较长的时间里,“Carrillo说”这些聚合物纠缠在一起想象在一个碗里拉一条意大利面

链越长,它就越纠缠所以它的运动要慢得多“需要长分子聚合物链的分子动力学模拟计算类似于实验条件的时间相关函数并找到连接或同意在伊利诺伊州的同事提出的实验和理论之间的模拟也模拟了纳米粒子相对于聚合物链的移动方式确凿的实验和理论使科学家更接近于验证预测并更清楚地了解纳米粒子如何改变行为,例如如何改变纳米粒子的大小或纳米粒子 - 聚合物相互作用会影响聚合物失去足够粘度变成液体并开始流动的温度大粒子在聚合物运动的时间尺度上相对固定,而小粒子更易移动并且倾向于从聚合物中分离得更多更快出版:Shiwang Cheng,等,“小纳米粒子的大效应:聚合物纳米复合材料范式的转变”,ACS Nano,2017,11(1),pp 752-759; DOI:101021 / acsnano6b07172来源:Dawn Levy,橡树岭国家实验室