Polimer mimarisi'nin polimer nanokompozitlerin yapısı ve dinamiği üzerindeki etkisi

Polimer nanokompozitler (PNC'ler), çeşitli uygulamalar için son derece çekici kılan olağanüstü fiziksel özelliklere sahiptir. Bu sistemlerin araştırması genellikle lineer polimer zincirlere odaklanmış olsa da, polimer matris mimarisinin lokal dinamikler, kitlesel reoloji ve nanoparçacık (NP) hareketi üzerindeki etkisi büyük ölçüde keşfedilmemiştir. Bu araştırmanın ilk aşamasında, kuantum elastik nötron saçılma, kitlesel reoloji ve X-ışını foton korelasyon spektroskopisi kullanarak, sferik silika nanoparçacıkların poli(etilen oksit) matrislerinde (lineer, yıldız ve hiperdalgalı olarak belirli mimarilere sahip) iyi dağılmış nanokompozitleri inceledik. Bulgularımız, nanokompozitlerin mekanik güçlendirmesinin, lineer polimerlere göre orders of magnitude değiştirilebileceğini göstermektedir. Polimer sıkılığı ve içpenetrasyonun, kitlesel reolojiyi belirlemede kilit roller oynadığı belirlendi. Ayrıca, mikroskobik düzeyde, çekici NP'lerin yüksek derecede dallanmış matrislerde ortalama segmental dinamikleri önemli ölçüde yavaşladı, bu durum lineer polimer matrislerinde eşdeğer NP yüklemelerinde gözlemlenen ihmal edilebilir etkinin aksine. Ayrıca, kompakt olmayan matrislerdeki nanometre ölçekli dinamikler, büyük hacim elastikiyetinden güçlü bir şekilde ayrışarak, hızlı bir rahatlama sağladı, bu da yaklaşık% 30'a kadar hacimde bile. PNC'lerde olağanüstü reolojik performansın büyük ölçüde arayüzey polimerlerin bir kısmına bağlanır. Ancak, arayüzey polimerin yapısını ve dinamiklerini kontrol etmek için sınırlı stratejiler bulunmaktadır. İkinci aşamada, arayüzey polimerlerin makromoleküler mimarisini değiştirme üzerine odaklanan bir yöntem öneriyoruz. Sonuçlarımız, bağlı polimerin topolojisini lineerden yıldıza ve hiperdalgalıya değiştirmenin, çekici PNC'lerde polimer-NP etkileşimini ve interfaselerde zincir içi nüfuzunu etkili bir şekilde değiştirdiğini göstermektedir. PNC'lerin dispersiyonu ve reolojik davranışının, arayüzelerde kullanılan polimerlerin işlevselliği ve kol uzunluğuna bağlı olduğu açıktır. Farklı polimer zincir mimarileri, temelde farklı reolojik tepkilere ve içsel dinamiklere yol açar, bu da ayarlanabilir mekanik davranışa sahip ileri termoplastik nanokompozitleri rasyonelleştirmek için fırsatlar sunar. Üçüncü aşamada, lineer, şişe fırça ve yıldız mimarilere sahip aynı toplam molar kütleye sahip üç model poli(metil metakrilat) (PMMA) polimerini, düzgün formlarında ve iyi dağılmış silika nanoparçacıkları içeren nanokompozitler olarak inceledik. Lineer zincirler birbirine dolanmış bir polimer ağı oluştururken, dallı şişe fırça ve yıldız zincirler, Rouse ve terminal akış arasında zayıf bir kol rahatlama rejimi ile birlikte kauçuklu dolanma platosu olmadan bir viskoelastik tepki gösterdi, diğer dallı polimerlere benzer şekilde. Nanoparçacıkların eklenmesi, çoğunlukla terminal rahatlama rejimini etkiledi, çekici nanoparçacıkların varlığında genel zincir hareketini engelledi. Geniş bant dielektrik spektroskopisi sonuçları, yıldız homopolimerler için segmental rahatlama için 10 kat daha yavaş ve üç mimarinin kompozit formundaki α-raksasyon sürecinde yavaşladığını gösterdi. Dördüncü aşamada, küçük açılı ışık saçılma (SALS), UV-vis spektroskopisi ve reoloji kullanarak, polimer zincir mimarisinin polimer-NP çözeltilerinin dispersiyonu ve viskozitesi üzerindeki etkisini inceledik. Bulgularımız, aynı moleküler ağırlığa sahip lineer polimerlere göre yıldız polimerlerin kısa kollarla daha kompakt bir polimer tabakası oluşturduğunu göstermektedir. Ayrıca, çözeltilerin viskozitesi, dallanma eklenmesine doğrudan bir tepki gösterdi ve lineer polimerler içeren çözeltilerde, hiperdalgalı polimerler içeren çözeltilere kıyasla altı kat daha yüksek viskozite ölçüldü. Beşinci ve son aşamada, X-ışını foton korelasyon spektroskopisi (XPCS) ve reoloji kullanarak farklı polimer mimarileri ile çözümlerdeki NP'lerin yapısını ve dinamiklerini inceledik. Polimer zincirlerinin dallanma miktarındaki artışla NP'lerin yapısındaki düzensizlik arasında doğrudan bir ilişki gözlendi. Yüksek derecede dallanmış mimarilerdeki hidroksil uç grupları, silika NP'lerin yüzeyini protonladı, bu da etkili yüzey yükünün azalmasına ve NP'ler arasındaki elektrostatik itme zayıflamasına neden oldu. Bu durum, NP'ler arasındaki hariç tutulan hacmin azalmasına ve NP'ler arasındaki daha geniş bir aralık aralığına yol açtı. Ayrıca, dallanmanın artması, NP'lerin ortamda difüzyonunu doğrudan etkiledi, bu durum, daha az dallanmış lineer ve dört kollu yıldız polimerler içeren çözeltilerde subdifüzyon hareketine ve hiperdalgalı zincirler içeren çözeltilerde difüzyona neden oldu. Sonuç olarak, bu kapsamlı çalışma, polimer mimarisi ile nanokompozitlerin fiziksel özellikleri arasındaki karmaşık etkileşimlere dair önemli anlayışlar sunar. Bu, çeşitli uygulamalarda geliştirilmiş performansa sahip ve ayarlanabilir mekanik davranışa sahip özel malzemeler tasarlama temeli oluşturur.