官方注册纳米小颗粒在聚合物材料方面提供了巨

 新闻资讯     |      2020-03-22
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纳米小颗粒在聚合物材料方面提供了巨大的改进

如左图所示,小的纳米颗粒附着在聚合物链的片段上,这些片段的大小与纳米颗粒本身的大小大致相同

这些相互作用产生了一种易于加工的聚合物纳米复合材料,因为纳米颗粒移动速度很快,从而使材料的粘性降低

在右侧,聚合物链的许多片段会粘附到较大的纳米颗粒上,从而使该纳米颗粒难以移动

其较慢的运动导致更难以处理的粘性材料

橡树岭国家实验室(oak ridge national laboratory)的最新研究表明,将纳米颗粒和聚合物混合可以大大改善聚合物材料的性能

聚合物纳米复合材料将直径十亿分之一米(纳米,nm)的粒子与长分子链的聚合物混合

通常用于制造注塑产品,它们常见于汽车,阻燃剂,包装材料,药物输送系统,医疗设备,涂料,粘合剂,传感器,膜和消费品中

当由能源部橡树岭国家实验室(oak ridge national laboratory)领导的一个团队试图验证收缩纳米颗粒尺寸会对聚合物纳米复合材料的机械性能产生不利影响时,他们感到非常惊讶

ornl的shiwang cheng说,我们发现了小的纳米颗粒出乎意料的巨大效果

ornl的科学家团队,伊利诺伊大学香槟分校(illinois)和田纳西大学诺克斯维尔分校(utk)在acs nano杂志上报告了他们的发现

混合纳米颗粒和聚合物可以显着改善聚合物材料的性能

纳米颗粒的大小,空间组织以及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

了解这些影响将有助于改进新型复合聚合物的设计,因为科学家可以调整机械,化学,电,光学和热性能

直到最近,科学家还认为必须存在最佳的纳米颗粒尺寸

减小尺寸仅在一定程度上是有利的,因为最小的颗粒倾向于在低负荷下可塑并在高负荷下聚集,这两者均损害聚合物纳米复合材料的宏观性能

ornl领导的研究比较了直径为1.8 nm的聚合物纳米复合材料和直径为25 nm的聚合物纳米复合材料

大多数常规的聚合物纳米复合材料包含直径1050 nm的颗粒

明天,新型聚合物纳米复合材料可能包含直径远小于10 nm的纳米颗粒,从而使较大的纳米颗粒无法实现新的性能

分散良好的小粘性纳米颗粒改善了性能,其中一项打破了记录:将材料温度提高到低于10摄氏度会导致粘度快速下降百万倍

纯聚合物(无纳米颗粒)或具有大纳米颗粒的复合材料将需要至少30摄氏度的温度升高才能达到可比的效果

ornl和utk的阿列克谢·索科洛夫(官方注册alexei sokolov)表示,我们看到了范式的转变,即使用很小的纳米颗粒可以访问全新的属性

之所以能获得更多新特性,是因为小颗粒的运动快于大颗粒,并且与同一链上较少的聚合物链段相互作用

更多的聚合物链段粘附在一个大的纳米颗粒上,使得链很难从该纳米颗粒上解离

现在,我们意识到我们可以通过改变粒径来调节粒子的迁移速度,以及通过改变其表面来与聚合物相互作用的强烈程度

我们可以在更大范围内调整复合材料的性能,这比使用更大的纳米粒子所能达到的范围大

在一起更好

ornl领导的研究需要材料科学,化学,物理,计算科学和理论方面的专业知识

索科洛夫说,橡树岭国家实验室的主要优势是我们可以组建一支庞大的协作团队

cheng和utk的bobby carroll与sokolov进行了他们设计的实验

宽带介电谱跟踪与纳米粒子相关的聚合物链段的运动

量热法揭示了固体复合物转变为液体的温度

halie martin(utk)和mark dadmun(utk和ornl)使用小角度x射线散射表征了纳米粒子在聚合物中的分散性

为了更好地了解实验结果并将其与基本的相互作用,动力学和结构相关联,团队转向了由doe办公室oak ridge leadership computing facility进行的大规模建模和仿真(由ornls bobby sumpter和jan-michael carrillo进行) ornl科学用户设施学院

程说,我们花了很多时间才能弄清楚这些颗粒如何影响聚合物链的分段运动

这些事情不能从宏观的实验中看到

计算机模拟的美妙之处在于它们可以向您展示链的运动方式以及粒子的运动方式,因此该理论可用于预测温度依赖性

伊利诺伊州的谢世杰和肯尼思·施韦泽(kenneth schweizer)都创建了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,并将其定量地应用于理解新的实验现象

该理论可以预测物理行为,从而可以用来制官方注册定设计规则以优化材料性能

carrillo和sumpter在美洲最强大的超级计算机titan上开发并运行了仿真程序,并编写了代码来分析rhea群集上的数据

lammps分子动力学代码计算了纳米粒子相对于聚合物链段移动的速度以及聚合物链段粘附于纳米粒子的时间

对于长时间运行(1亿步)的相对较大的系统(200,000至400,000个粒子),我们需要titan来快速完成结果的转换

carrillo说,这些模拟可以考虑相对较长时间的聚合物和纳米粒子动力学

这些聚合物缠结在一起

想象一下,拉一碗意大利面条

链条越长,纠结就越多

因此它的运动要慢得多

需要长的缠结聚合物链的分子动力学模拟来计算类似于实验条件的时间相关函数,并找到伊利诺伊州同事提出的实验与理论之间的联系或一致

模拟还可视化了纳米粒子如何相对于聚合物链运动

确凿的实验和理论使科学家们更接近验证预测结果,并且对纳米粒子如何改变行为(例如,改变纳米粒子的尺寸或纳米粒子与聚合物的相互作用如何影响聚合物失去足够的粘度而变成液体并开始流动的温度)有了更清晰的了解

大颗粒在聚合物运动的时间尺度上相对不动,而小颗粒则更具运动性,并且倾向于更快地从聚合物上脱离

出版物:程世旺等,小纳米粒子的大影响:聚合物纳米复合材料范式的转变,acs nano,2017,11(1),752752;

新宝5官网综合报道