Efek Skala Nano Permukaan Pengisi Zirkonia Terhadap Kuat Tarik Mekanik Komposit Polimer

Abstrak

Efek karakteristik dari struktur nano-cekung-cembung dari rakitan partikel nano zirkonia dengan struktur berpori yang melekat dan luas permukaan yang besar memungkinkan kami untuk memperkenalkan modifikasi permukaan sistematis dengan perlakuan termal ke permukaan halus dan impregnasi polimer untuk menutupi struktur nano-cekung-cembung dari perakitan nanopartikel zirkonia. Komposit polimer dibuat dari 30% berat poli(N -isopropylacrylamide) yang mengandung 0,02 wt% zirkonia nanopartikel perakitan dengan struktur permukaan nano-cekung-cembung yang melekat menunjukkan kekuatan tarik tertinggi dalam pengujian tarik mekanik. Namun, baik rakitan nanopartikel zirkonia yang disinter dengan permukaan halus maupun rakitan nanopartikel zirkonia dengan permukaan bertopeng polimer menunjukkan kekuatan yang lebih rendah dengan perpanjangan putus yang lebih lama dalam pengujian tarik mekanis.

Pengantar

Nanomaterials adalah beberapa material canggih yang paling menarik di banyak penelitian dan bidang aplikasi [1,2,3,4,5], karena sifat fisik/kimia intrinsiknya sangat berbeda dari material massal [6,7,8,9 ]. Ketika nanomaterial diterapkan sebagai pengisi komposit polimer, perbedaan kecil dalam pengisi, seperti luas permukaan, struktur permukaan, dan morfologi partikel nanomaterial, menyebabkan perubahan drastis dalam sifat skala makro komposit [10].

Misalnya, penggabungan komponen anorganik ke dalam polimer meningkatkan sifat fisik dan kimia, seperti stabilitas termal, kekuatan mekanik, dispersibilitas, dan kelarutan [11,12,13,14].

Namun, studi sistematis gagal untuk mengklarifikasi hubungan antara sifat skala nano dari bahan nano, yaitu, struktur, morfologi, dan luas permukaan, dan skala makro fisik dan mekanik dari komposit.

Bahan nano oksida logam berpori seperti silikon dioksida [15,16,17], titanium dioksida [18,19,20], zirkonium dioksida [21,22,23], serium dioksida [24,25,26], dan bahan lainnya [ 27,28,29] dengan luas permukaan yang besar telah diterapkan dalam katalisis kimia, penyerapan gas, pemisahan, pengiriman obat, dan bahan penyimpanan energi [30,31,32,33,34,35]. Dalam konteks ini, kelompok kami mengembangkan rakitan nanopartikel oksida logam unik dengan morfologi bola berukuran submikron dengan pendekatan solvothermal satu pot dan satu langkah sederhana [36]. Kami menamai materi ini m icro/m dengan cepat a dirancang r sangat i terintegrasi m dkk o oksida (MARIMO). Ini menghasilkan kekasaran permukaan skala nanometer dan luas permukaan yang luas. Misalnya, TiO₂ MARIMO memiliki permukaan nano-cekung-cembung karena banyak partikel primer halus yang melekat dengan diameter ca. 5 nm dan luas permukaan spesifik tinggi (400 m² g⁻¹ ) [35]. Dalam penelitian sebelumnya, kami menerapkan bahan unik ini untuk mendukung katalis nanometal yang tidak homogen dan bahan anoda untuk baterai isi ulang. Dalam penyangga katalis, nanopartikel Au terdispersi tinggi pada TiO₂ Permukaan pendukung MARIMO meningkatkan aktivitas katalitik dan meningkatkan daya tahan katalis pada suhu tinggi [37]. Pada bahan anoda, Nb₂ O₅ -TiO₂ MARIMO meningkatkan kapasitas saat ini dan masa pakai baterai [38]. Selain itu, TiO₂ bundel nanofiber dengan morfologi sikat pipi meningkatkan kekuatan mekanik hidrogel polimer saat digunakan sebagai pengisi [39].

Efek penahan skala nano dan mikro paling signifikan dalam mekanisme perekat. Kami menganggap bahwa MARIMO ini dengan struktur permukaan cembung-cekung nano, luas permukaan besar, dan struktur berpori akan sesuai untuk mengklarifikasi hubungan antara sifat permukaan skala nano dan sifat material skala makro, karena sifat permukaan MARIMO dapat dengan mudah disetel oleh perlakuan termal dan dekorasi polimer (Gbr. 1). Misalnya, perlakuan termal MARIMO menciptakan permukaan yang halus dengan luas permukaan yang berkurang dan porositas yang lebih rendah. Impregnasi [40] monomer atau polimer ke dalam pori-pori MARIMO harus menutupi permukaan nano-cekung-cembung dari MARIMO. Jadi, dalam makalah ini, metode baru modifikasi permukaan pengisi dengan impregnasi polimer untuk menutupi bentuk nano-cekung-cembung MARIMO dipelajari untuk menunjukkan efek penahan nano dari permukaan pengisi. Di sini, kami memilih zirkonia (ZrO₂ ) MARIMO sebagai filler untuk meningkatkan sifat mekanik komposit polimer, karena ZrO₂ pengisi menunjukkan sifat yang lebih baik seperti ketahanan kimia terutama untuk asam, kekuatan mekanik, dan stabilitas termal, yang akan menguntungkan matriks polimer untuk memimpin komposit polimer tahan lama [41,42,43]. Monomer, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), benzyl methacrylate (BMA), dan cyclohexyl methacrylate (CHMA), dan polimernya dipilih untuk memodifikasi permukaan nano-cekung-cembung ZrO₂ pengisi MARIMO. Poli(T Hidrogel -isopropilakrilamida) (PNIPAM) dipilih sebagai matriks untuk komposit polimer.

Skema modifikasi permukaan ZrO₂ MARIMO dengan perlakuan termal dan impregnasi dengan monomer/polimer

Ada beberapa pendekatan untuk memperkirakan interaksi fisik dan kimia antara permukaan pengisi dan rantai polimer dalam komposit polimer. Termogravimetri, spektroskopi UV-tampak, spektroskopi FT-IR, dan mikroskop adalah perwakilannya. Di sini, kami mengadopsi pengujian tarik mekanis sebagai teknik alternatif yang relatif sederhana, mudah, dan cepat. Ada beberapa laporan tentang sifat mekanik hidrogel dengan grafena oksida dan ZrO₂ bubuk [44, 45], yang berbeda dari kami sehubungan dengan sistem sederhana yang hanya terdiri dari zirkonia dan matriks polimer. Sejauh pengetahuan kami, tidak ada laporan tentang hubungan antara perubahan struktur nano pada permukaan pengisi dan rantai polimer dalam komposit polimer yang telah dipublikasikan.

Metode

Materi

T -isopropilakrilamida (NIPAM), N,N,N',N' -tetramethylethylenediamine (TMEDA), potasium persulfat (KPS), dan zirkonia komersial (ZrO komersial₂ ) dibeli dari FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation. HEMA, BMA, CHMA, dan 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone (HCPK) dibeli dari Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Semua reagen digunakan saat diterima. ZrO₂ MARIMO diperoleh dari UJIDEN Chemical Industry Co., Ltd.

Persiapan HEMA-, NIPAM-, BMA-, dan ZrO yang Diresapi CHMA₂ Pengisi MARIMO

Metode impregnasi untuk preparasi katalis nanometal yang didukung [40] diterapkan untuk mendapatkan ZrO₂ yang diimpregnasi HEMA₂ pengisi MARIMO. ZrO₂ MARIMO dikeringkan pada 80 ° C di bawah vakum selama 12 jam. Kemudian, 20 L campuran HEMA/HCPK (20/1, mol/mol) ditambahkan ke 200 mg ZrO yang dikeringkan dengan vakum₂ MARIMO, dan campuran dicampur secara manual dengan mortar dan alu. Kemudian disinari dengan sinar UV selama 1 jam dengan pengadukan berselang setiap 15 menit. Prosedur serupa digunakan untuk menyiapkan ZrO yang diresapi NIPAM-, BMA-, dan CHMA₂ Pengisi MARIMO.

Persiapan Hidrogel PNIPAM dengan ZrO₂ Pengisi

Hidrogel yang terdiri dari PNIPAM dan ZrO₂ pengisi disiapkan menurut metode yang dilaporkan sebelumnya [37]. ZrO₂ MARIMO (24 mg, 0,02 wt%) didispersikan dalam 115 mL air reverse osmosis dengan N₂ menggelegak sebelum menambahkan NIPAM (36 g, 30% berat) ke dalam larutan. Campuran diaduk selama 30 menit dan kemudian ditambahkan KPS (0,18 g, 0,67 mmol) dalam air (5 mL) dan TMEDA (1,8 mL, 12 mmol). Campuran dipindahkan dengan hati-hati ke beberapa tabung kaca dengan diameter dalam 1,0 cm. Volume mati atas tabung dibersihkan dengan N₂ dan tabung gelas ditutup rapat dengan tutup ulir kemudian dibiarkan pada suhu 25 °C. Setelah 3 hari, tabung gelas dipotong dan hidrogel polimer dikeluarkan. Batang hidrogel yang diperoleh dengan diameter 1,0 cm dan panjang 3,0 cm digunakan untuk pengukuran kekuatan mekanik. Prosedur serupa menghasilkan komposit PNIPAM dengan ZrO yang diresapi HEMA-, NIPAM-, BMA-, dan CHMA₂ Pengisi MARIMO.

Uji Tarik Mekanik Komposit Polimer

Pengujian tarik mekanik diterapkan pada spesimen dalam arah aksial. Panjang deformasi komposit (regangan) dan gaya yang diterapkan (tegangan) diukur menggunakan alat uji tarik (AND MCT-2150) dengan kecepatan crosshead 50 mm min⁻¹ pada suhu kamar. Pada uji tarik semua sampel komposit, persen elongasi, 930%, merupakan batasan dari mesin penguji tarik. Sepuluh sampel komposit digunakan untuk pengujian tarik mekanik, dan setidaknya tujuh sampel digunakan untuk analisis data. Kami mencatat bahwa komposit yang mengandung gelembung, retak oleh kaca, dan retak oleh grip mesin uji tarik dihilangkan dari analisis data untuk menjamin kualitas data. Hasilnya disajikan sebagai mean ± standar deviasi.

Metode Karakterisasi

Pemindaian mikroskop elektron (SEM) dilakukan pada mikroskop FE-SEM Hitachi SU8020. Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) diperoleh dengan mikroskop JEOL JEM-2100F. Pemetaan STEM-EDX diambil dengan mode bright-field (BF) dan dilakukan pada spektrometer Oxford INCA X-max 80 EDX. Difraktometri sinar-X (XRD) dilakukan pada difraktometer Rigaku SmartLab (radiasi Cu Kα, detektor D/teX Ultra 250). Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen diperoleh dengan menggunakan instrumen BEL Japan Inc. Belsorp Mini (II). Luas permukaan spesifik dihitung menggunakan metode Brunauer–Emmett–Teller (BET), dan distribusi ukuran pori diturunkan dengan metode Barrett–Joyner–Halenda (BJH). Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) dilakukan dengan DSC7000X dari Hitachi High-Tech Science Corporation pada kecepatan pemindaian 10 °C min^-1 dari 0 hingga 100 °C dalam atmosfer nitrogen dalam tiga pemindaian. Kromatografi pengecualian ukuran (SEC) dilakukan menggunakan pompa JASCO PU-2080 Plus dengan dua kolom gel (KF-804L dan KF-806L) dan detektor RI-2031 Plus Intelligent RI dalam kloroform yang dikalibrasi dengan standar polistirena pada 40 °C. Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) dilakukan pada FT/IR-4600 dari JASCO Corporation, dan spektrum tersebut melakukan transformasi Kubelka-Munk.

Hasil dan Diskusi

Properti Permukaan ZrO₂ MARIMO

Sifat fisik ZrO₂ filler dievaluasi dengan metode BET, XRD, dan SEM. Bahan referensi, ZrO komersial₂ nanopartikel, menunjukkan morfologi agregat kasar (Gbr. 2a,b) dengan luas permukaan spesifik 20 m² g⁻¹ (Tabel 1). Sebaliknya, ZrO₂ MARIMO menunjukkan morfologi mesopori sferis (Gbr. 2c,d) dengan luas permukaan spesifik yang sangat besar (283 m² g⁻¹ ), yang 14 kali lebih besar dari ZrO komersial₂ nanopartikel. ZrO yang disinter₂ MARIMO yang diperoleh dengan pemanasan pada 700 °C selama 3 jam di udara menunjukkan luas permukaan spesifik yang rendah sebesar 6 m² g⁻¹ seperti yang diharapkan (Gbr. 2e,f). Pengurangan ekstrim pada luas permukaan spesifik menunjukkan bahwa ukuran partikel primer dari ZrO yang disinter₂ MARIMO meningkat dengan pemanasan, yang dikonfirmasi oleh estimasi ukuran partikel primer dari lebar puncak XRD menggunakan persamaan Scherrer dan metode BJH dari analisis isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen (Tabel 1). Jadi, partikel primer kecil di ZrO₂ MARIMO menghadirkan area permukaan yang besar serta struktur berpori dengan permukaan nano-cekung-cembung. Oleh karena itu, banyak material akan berinteraksi dengan permukaan nano-cekung-cembung dan pori-pori ZrO₂ MARIMO.

Gambar SEM dari a perbesaran rendah dan b pembesaran tinggi ZrO yang tersedia secara komersial₂ , c perbesaran rendah dan d perbesaran tinggi ZrO₂ MARIMO, dan e perbesaran rendah dan f perbesaran tinggi ZrO yang disinter₂ MARIMO

DSC adalah alat yang ampuh untuk menunjukkan interaksi antara ZrO₂ permukaan pengisi dan molekul organik melalui fenomena endo atau eksotermal [45]. Sebelum dekolilasi permukaan ZrO₂ Pengisi MARIMO oleh polimer, kami memilih monomer NIPAM sebagai molekul probe untuk menyelidiki interaksi antara ZrO₂ permukaan pengisi dan molekul probe organik melalui DSC, karena titik leleh monomer NIPAM sensitif terhadap kristalinitas padatan NIPAM [46]. Jika padatan NIPAM tertanam di pori-pori bahan inang, titik lelehnya akan bergeser ke suhu yang lebih rendah, karena kristalinitas padatan NIPAM berukuran nano yang tertanam dengan ukuran nano di pori-pori bahan inang akan mudah terganggu oleh beberapa gangguan dari dinding pori batas.

Profil DSC dari NIPAM itu sendiri, campuran ZrO komersial₂ nanopartikel dan monomer NIPAM (ZrO komersial₂ /NIPAM), campuran ZrO₂ Monomer MARIMO dan NIPAM (ZrO₂ MARIMO/NIPAM), dan campuran ZrO yang disinter₂ Monomer MARIMO dan NIPAM (ZrO yang disinter₂ MARIMO/NIPAM) dengan ZrO berbeda₂ /NIPAM rasio berat ditunjukkan pada Gambar. S1, Gambar. S2, dan Gambar. S3, masing-masing. Monomer NIPAM sendiri menunjukkan puncak endotermal yang dianggap berasal dari titik lelehnya pada 67,7 °C. Dalam kasus ZrO komersial₂ /NIPAM, pergeseran puncak bertahap sederhana dari profil DSC dari 67,7 °C (NIPAM) ke 64,8 °C diamati sesuai dengan ZrO₂ yang lebih tinggi isi (Gbr. S1, Tabel S1). Puncak endotermal pada 64,8 °C dapat dianggap berasal dari titik leleh padatan NIPAM yang terletak di antara ZrO₂ komersial partikel primer.

Sebaliknya, pergeseran suhu yang lebih besar dari 67,7 ke 62,4 °C diakui sesuai dengan ZrO₂ yang lebih tinggi. Isi MARIMO hingga ZrO₂ MARIMO/NIPAM =50/50 (wt%) untuk ZrO₂ MARIMO/NIPAM (Gbr. S2, Tabel S1). Pergeseran besar ini dengan jelas menunjukkan bahwa ZrO₂ MARIMO memiliki beberapa efek positif pada keadaan padat monomer NIPAM yang tertanam di pori-pori MARIMO, di mana pergeseran puncak endotermal yang lebih besar dapat sesuai dengan interaksi yang lebih kuat antara ZrO₂ permukaan pengisi dan monomer NIPAM. Namun, puncak endotermal bergeser ke arah yang berlawanan dengan suhu yang lebih tinggi yaitu 65,2 °C pada ZrO₂ /NIPAM rasio mulai dari 50/50 sampai 80/20 (wt%). Sulit untuk mengajukan diskusi konklusif, tetapi puncak endotermal pada 62,4 dan 65,2 °C mungkin berasal dari titik leleh pori-pori dalam yang tertanam padatan NIPAM dan banyak pori-pori dangkal di ZrO₂ MARIMO, masing-masing. Adapun ZrO yang disinter₂ MARIMO/NIPAM dengan permukaan halus, pergeseran suhu rendah sederhana yang cukup mirip dari puncak endotermal ditunjukkan secara proporsional dengan ZrO yang disinter₂ Kandungan MARIMO (Gbr. S3, Tabel S1) mirip dengan hasil ZrO komersial₂ /NIPAM pada Gambar. S1.

Dengan demikian, interaksi positif yang ditemukan antara ZrO₂ Monomer MARIMO dan NIPAM akan menguntungkan untuk dekolilasi polimer ke ZrO₂ Permukaan MARIMO.

Persiapan Hidrogel PNIPAM dengan ZrO₂ Pengisi

Untuk mengevaluasi pengaruh struktur permukaan ZrO₂ pengisi lebih lanjut, hidrogel PNIPAM dengan ZrO₂ pengisi dipilih, karena kekuatan hidrogel PNIPAM sensitif terhadap sifat pengisi. Hidrogel PNIPAM dibuat dari larutan berair yang mengandung jumlah berbeda (20, 25, dan 30% berat) NIPAM, KPS sebagai inisiator radikal, dan TMEDA. Ketika gel yang diperoleh dari 20% berat NIPAM dibiarkan pada suhu kamar, gel tersebut berubah menjadi sol dalam waktu 60 menit (Gbr. S4a). Sebaliknya, tidak ada deformasi struktural dari bentuk hidrogel yang diamati dengan gel yang diperoleh dari larutan NIPAM 25% dan 30% berat (Gbr. S4b-c). Tegangan dan regangan adalah 2,7 ± 0,2 kPa dan di atas 930% untuk hidrogel PNIPAM 25% berat, dan 7,8 ± 0,2 kPa dan 716 ± 106% untuk hidrogel PNIPAM 30% berat (Gbr. S5 dan Tabel S2). Kemudian, kami memilih hidrogel PNIPAM 30% berat yang lebih kuat sebagai matriks polimer untuk mengevaluasi efek ZrO₂ pengisi.

ZrO₂ Kandungan filler pada hidrogel PNIPAM kemudian dioptimalkan dengan mengubah jumlah ZrO komersial₂ pengisi (0,002 (2a), 0,02 (2b), dan 0,04 wt% (2c)) dalam 30 wt% hidrogel PNIPAM. Akibatnya, komposit 2a menunjukkan kekuatan tarik tertinggi (9,5 ± 0,7 kPa), sedangkan komposit 2b menunjukkan perpanjangan tertinggi (902 ± 28%) di antara semua komposit (Gbr. S6 dan Tabel S3). Dari hasil ini, sulit untuk menilai mana (kekuatan tarik tinggi atau perpanjangan panjang) yang cocok untuk jumlah pengisi untuk membuat hidrogel polimer. Kemudian, area profil dihitung untuk memperkirakan berapa banyak pekerjaan yang diperlukan untuk memecahkan komposit ini. Akibatnya, komposit 2b menunjukkan kerja tertinggi di antara semua komposit (Tabel S3).

Dengan demikian, kondisi 30% berat NIPAM dan 0,02% berat ZrO₂ pengisi diperbaiki selama percobaan.

Uji Tarik Mekanik Komposit Polimer

Kekuatan tarik mekanis yang diperoleh dari kurva tegangan-regangan ditunjukkan pada Gambar. 3. Tegangan dan regangan maksimum masing-masing komposit yang diperkirakan dari pengujian tarik mekanis dirangkum dalam Tabel 2. Pengaruh morfologi permukaan ZrO₂ pengisi pada komposit polimer dapat diklarifikasi dengan mengukur kekuatan tarik [41,42,43] komposit yang dibuat dengan ZrO komersial₂ (2b), dengan ZrO cekung-cekung-nano₂ MARIMO (3), dengan dan disinter ZrO₂ MARIMO (4) dengan permukaan halus. Hasilnya, komposit 3 yang mengandung MARIMO dengan permukaan nano-cekung-cembung menunjukkan kekuatan tarik ultimit tertinggi (9,2 ± 0,2 kPa) dan elongasi terendah (746 ± 37%). Namun, komposit 4 yang mengandung MARIMO yang disinter dengan permukaan halus menunjukkan kekuatan tarik yang buruk sebesar 6,6 ± 0,3 kPa. Kapasitas elongasi 2b (902 ± 28%) dan 4 (903 ± 19%) hampir sama. Secara umum, efek jangkar permukaan pengisi pada rantai polimer dan selip rantai polimer dapat diperkirakan dari tegangan maksimum dan regangan maksimum yang diperoleh dari pengujian tarik mekanis [47]. Hasil yang diperoleh jelas menunjukkan bahwa permukaan nano-cekung-cembung memainkan peran penting dalam kekuatan tarik komposit polimer seperti yang diharapkan, yang dapat menjadi efek penahan antara permukaan nano-cekung-cembung dan rantai polimer dalam komposit polimer. . Untuk mengetahui struktur mikro dan distribusi ZrO₂ pengisi, kami menggunakan komposit polimer beku-kering untuk pengamatan SEM langsung. Hasilnya, kami mengkonfirmasi jaringan polimer hidrogel yang seragam tetapi tidak ada agregasi atau aglomerasi ZrO₂ pengisi diamati (Gbr. S7).

Kurva tegangan-regangan tarik untuk komposit hidrogel PNIPAM 30% berat dengan ZrO 0,02% berat₂ pengisi. Komposit dengan 0,02 wt% komersial ZrO₂ (2b), dengan 0,02 wt% permukaan nano-cekung-cembung ZrO₂ MARIMO (3), dan dengan 0,02 wt% ZrO yang disinter₂ MARIMO (4)

Pengaruh Sifat Permukaan ZrO yang Diresapi Polimer₂ MARIMO

Untuk melengkapi studi sistematis tentang hubungan antara permukaan nano-cekung-cembung ZrO₂ Pengisi MARIMO dan rantai polimer, kami memodifikasi ZrO₂ Permukaan pengisi MARIMO dengan impregnasi polimer untuk menutupi permukaan cembung-cekung nano. Di sini, kami memilih monomer vinil seperti HEMA, NIPAM, BMA, dan CHMA untuk diresapi ke dalam pori-pori ZrO₂ MARIMO. Polimerisasi monomer yang diimpregnasi dalam ZrO₂ MARIMO dicapai dengan penyinaran UV dengan adanya photoinitiator (HCPK). Kemajuan polimerisasi diperiksa oleh SEC dari supernatan ZrO yang diresapi₂ Dispersi MARIMO/kloroform (Tabel S4). Semua sampel memiliki berat molekul sekitar 1000. Pada percobaan DRIFTS, tidak ada puncak signifikan yang menunjukkan interaksi antara polimer dan ZrO₂ MARIMO (Gbr. S8). Dalam arti ini, kami mempelajari analisis SEM dan STEM-EDX untuk mengkonfirmasi impregnasi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4, morfologi MARIMO bulat dipertahankan bahkan setelah perawatan impregnasi. Analisis STEM-EDX (Gbr. 5) dengan jelas menunjukkan bahwa atom Zr, C, O, dan (N) terdistribusi secara homogen di seluruh ZrO₂ pengisi MARIMO. Hasil ini menunjukkan bahwa monomer diresapi dan dipolimerisasi secara seragam dalam rongga nano dan pori-pori MARIMO.

Gambar SEM dari a ZrO yang diresapi HEMA₂ MARIMO, b ZrO yang diresapi NIPAM₂ MARIMO, c ZrO yang diresapi BMA₂ MARIMO, dan d ZrO yang diresapi CHMA₂ MARIMO

Gambar pemetaan TEM dan STEM-EDX dari a ZrO yang diresapi HEMA₂ MARIMO, b ZrO yang diresapi NIPAM₂ MARIMO, c ZrO yang diresapi BMA₂ MARIMO, dan d ZrO yang diresapi CHMA₂ MARIMO

Uji Tarik Mekanik Komposit Polimer

Adanya efek penahan permukaan nano-cekung-cembung ZrO₂ MARIMO dipelajari melalui pengujian tarik mekanik. Komposit polimer dengan ZrO yang diresapi HEMA₂ MARIMO (5), dengan ZrO yang diresapi NIPAM₂ MARIMO (6), dengan ZrO yang diresapi BMA₂ MARIMO (7), dan dengan ZrO yang diresapi CHMA₂ MARIMO (8) dibuat menurut prosedur yang sama dengan yang digunakan untuk komposit 2b, 3, dan 4. Seperti yang ditunjukkan oleh kekuatan tarik mekanik yang diperoleh dari kurva tegangan-regangan pada Gambar. 6, semua komposit 5-8 dengan polimer vinil diresapi ZrO₂ Pengisi MARIMO menunjukkan kekuatan tarik yang lebih rendah dibandingkan dengan komposit 3 dengan ZrO cembung nano-cekung₂ Pengisi MARIMO (Tabel 3), menunjukkan efek penahan permukaan berkurang dalam semua kasus ZrO yang diresapi polimer₂ pengisi MARIMO. Sebaliknya, elongasi yang lebih tinggi dari semua komposit 5–8 dengan ZrO yang diresapi polimer₂ Pengisi MARIMO diamati dengan jelas, yang dapat dianggap berasal dari selip rantai polimer matriks pada permukaan pengisi MARIMO yang diresapi polimer. Jadi, ZrO yang diresapi polimer₂ Pengisi MARIMO dalam komposit polimer menginduksi kekuatan tarik yang lebih rendah dan meningkatkan kapasitas pemanjangan komposit. Beralih ke prototipe ZrO₂ MARIMO, permukaan nano-cekung-cembung memainkan peran positif dalam kekuatan tarik komposit polimer.

Kurva tegangan-regangan tarik untuk 30 wt% komposit hidrogel PNIPAM dengan 0,02 wt% permukaan nano-cekung-cembung ZrO₂ MARIMO (3), dengan 0,02 wt% ZrO yang diresapi HEMA₂ MARIMO (5), dengan 0,02 wt% ZrO yang diresapi NIPAM₂ MARIMO (6), dengan 0,02 wt% BMA-diresapi ZrO₂ MARIMO (7), dan dengan 0,02 wt% ZrO yang diresapi CHMA₂ MARIMO (8)

Kesimpulan

Modifikasi permukaan ZrO₂ Pengisi MARIMO dengan struktur cekung-cekung-nano mengungkapkan pentingnya interaksi penahan skala nano antara permukaan pengisi dan rantai polimer matriks melalui pengujian tarik mekanis. Untuk menyelidiki pengaruh struktur nano-cekung-cembung, kami memodifikasi ZrO₂ Permukaan pengisi MARIMO dengan (i) kalsinasi ZrO₂ MARIMO untuk menghaluskan permukaan nano-cekung-cembung dan (ii) impregnasi polimer ke dalam ZrO₂ Pori-pori MARIMO untuk menutupi permukaan nano-cekung-cembung. Pengujian tarik mekanik diterapkan untuk memperkirakan interaksi antara permukaan pengisi dan rantai polimer dalam komposit polimer. Komposit polimer yang mengandung ZrO nano-cekung-cembung₂ Pengisi MARIMO menunjukkan kekuatan tarik tertinggi, sementara polimer-mengimpregnasi ZrO₂ Pengisi MARIMO menyebabkan pemanjangan yang besar. Dengan demikian, permukaan nano-cekung-cembung dari ZrO₂ Pengisi MARIMO berinteraksi secara positif dengan rantai polimer matriks untuk meningkatkan kapasitas kekuatan tarik, sementara polimer menutupi permukaan cembung-nano-cekung ZrO₂ Pengisi MARIMO meningkatkan kapasitas pemanjangan. Akibatnya, desain rasional dari permukaan pengisi memungkinkan kami untuk memahami interaksi skala nano dari permukaan pengisi dengan matriks polimer melalui pengujian tarik mekanis skala makro. Berbagai jenis monomer atau polimer, seperti monomer atau polimer ionik, hidrofilik, dan hidrofobik, dapat digabungkan ke dalam pengisi MARIMO dengan teknik impregnasi sederhana untuk mengontrol sifat pengisi MARIMO. Studi lebih lanjut tentang dispersi yang lebih baik dari ZrO₂ pengisi ke media berair sekarang sedang berlangsung.