LT
Visos kategorijos
LT

žinios

"AFM" : Didelis elastingumas, didelis kietumas, didelis modulis, skaidrus nanopluoštu sustiprintas hidrogelis

Laikas:2021-06-07 Hitai:

Nanopluoštai gali žymiai pagerinti mechanines medžiagų savybes ir yra laikomi idealia standinimo medžiaga mišriems hidrogeliams ruošti.. Tačiau, Nepermatomų nanopluoštų sluoksninis nusėdimas arba netolygus pasiskirstymas hidrogelio matricoje lems mažas mišrių hidrogelių mechanines savybes ir prastą skaidrumą. Stipraus paruošimas, tamprus ir vienodas nanopluoštu sustiprintas joninis laidus hidrogelis, nepažeidžiantis skaidrumo, tebėra didelis iššūkis.


In Situ Synthesis of Mechanically Robust, "Mechaniškai tvirtų medžiagų sintezė in situ," Ding Bin ir Zhang Shichao iš Tekstilės mokyklos, Donghua universitetas, Išplėstinėse funkcinėse medžiagose, Skaidrus nanopluoštu sustiprintas (SFRHS) Buvo pranešta apie hidrogelius, skirtus labai jautriems keliems jutikliams, pasižyminčius mechaniniu ir elektroniniu stabilumu.


Skaidrus nanopluoštu sustiprintas SFRHS hidrogelis buvo paruoštas sujungus silicio dioksido nanopluoštus ir vinilsilaną į natrio alginatą (SA)/ poliakrilamido (PAM) hidrogelis. PAM grandinės buvo kovalentiškai sujungtos su silicio dioksido nanopluoštais per silaną, sudarant stiprią tarpfazinę cheminę jungtį. Papildomai, sąsaja tarp silicio nanopluoštų ir PAM grandinių užtikrina nekovalentinę sąveiką (pavyzdžiui, vandeniliniai ryšiai) kurie tempimo metu gali sulūžti ir susijungti, išsklaidyti energiją ir homogenizuoti hidrogelio tinklą.








SFRH paruošimas





Didelis silicio dioksido nanopluošto kraštinių santykis ir stabili sąsaja tarp nanopluoštų ir hidrogelio tinklo prisideda prie puikių mechaninių SFRH savybių.. Mokslininkų komanda pirmiausia paruošė silicio nanopluoštu sustiprintą hidrogelį be silano, kurio sąsajoje buvo tik fizinis ryšys.. Hidrogelis buvo identifikuotas kaip P-SFRHS. Kai silicio nanopluošto kraštinių santykis didėja nuo 50 į 400, nanopluoštų mechaninis stiprumas labai padidėja (iš 0.11 MPa iki 0.24 MPa), kuris gali būti susijęs su sąsajos stiprumo padidėjimu.


Siekiant pagerinti sąsajos apkrovos perdavimo efektyvumą, TMSPMA buvo įvesta tarp nanopluoštų ir hidrogelio matricos, ir hidrogelis buvo įrašytas kaip C-SFRHS. C-SFRHS mechaninis stiprumas yra 0,3 MPa, įtampa yra 1400%, o Youngo modulis yra 0,11 MPa. Didelis C-SFRHS modulis yra daug geresnis nei esamų tempimo tempimo hidrogelių, turinčių panašų didelį vandens kiekį..


Siekiant suprasti nanopluošto stiprinimo mechanizmą, L/D santykio ir kovalentinio ryšio poveikis SFRH sąsajos savybėms buvo kiekybiškai įvertintas naudojant bendrą atominę molekulinę dinamiką (MD) simuliacija. Dviejų rūšių silicio nanopluoštai su skirtingu L/D santykiu, P-SFRH5 ir P-SFRH10, ir C-SFRH10 su papildomu TMSPMA įdiegimu, buvo naudojami kaip trys modeliai. Rezultatai rodo, kad sąveikos energija didėja nuo 1135 į 2241 kJ·mol-1 padidėjus L/D santykiui, kas rodo, kad fizinės sąveikos, pavyzdžiui, van der Waalso pajėgos, Kulono jėgos, ir vandeniliniai ryšiai tarp silicio nanopluošto ir hidrogelio matricos, yra sustiprinti. Įvedus stabilų kovalentinį ryšį, sudėtinio hidrogelio sąsaja gali būti žymiai padidinta iki 4000 kJ·mol-1. Papildomai, trijų kJdelių sąsajos trintis imituojama piešiant, o trijų modelių sąsajos trintis apskaičiuojama remiantis kinetinės energijos praradimu. Didžiausia C-SFRH10 trintis yra 3.34 NN (P-SFRH5 ir P-SFRH10 yra 1.06 ir 1.87 NNNNatitinkamai). Dėl šios didelės trinties jėgos sunku paslysti tarp silicio nanopluošto ir hidrogelio matricos, kuris atitinka aukščiausią C-SFRH modulį ir stiprumą.








SFRHS mechaninės savybės ir stiprinimo mechanizmas






Palyginti su maža P-SFRH histereze, C-SFRH pakrovimo ir iškrovimo ciklo eksperimentuose parodė didesnę histerezę, o liekamosios deformacijos po iškrovimo buvo beveik nereikšmingos, kuris pabrėžė jo tvirtumą ir superelastingumą. Po 1000 cikliniai tempimo bandymai, Youngo modulis, C-SFRHS maksimalus įtempių ir energijos nuostolių koeficientas reikšmingai nesumažėjo. Palyginti su trapiais įprastais hidrogeliais, SFRH pasižymi dideliu atsparumu gniuždymui ir dideliu gniuždymo įtempimu (2.6 MPa at 90% įtempti). Be to, juos galima pakartotinai suspausti esant tokioms didelėms įtempimams, nesugriuvus konstrukcijoms. Papildomai, nustatyta, kad didėjant SiO2 nanopluoštų kiekiui, varža palaipsniui mažėjo, tai rodo, kad SFRH joninis laidumas didėjo. Joninio laidumo pagerėjimas siejamas su dviem efektais: Pirmas, mažas nelaidžių silicio nanopluoštų tūris kompozitiniame hidrogelyje užtikrina didelį jonų judrumą vandenyje. Antra, silicio nanopluoštai su dideliu kraštinių santykiu ir rūgštiniu paviršiumi (-OH grupė) pritraukia priešionus ir sudaro ištisinį labai laidžių kanalą visame hidrogelyje.








SFRHS superelastingumas ir joninis laidumas





SFRHS pasižymi dideliu jautrumu ir kraujotakos stabilumu plačiame jutimo diapazone ir gali būti naudojamas žmogaus judėjimui ir pulsui stebėti.. SFRH gali veiksmingai stebėti sudėtingus ir mažus išorinius dirgiklius, pavyzdžiui, rašysena, ir tt, kuri turi svarbių potencialių pritaikymų rašymo ranka prevencijos ir kitose srityse.








SFRHS jutimo našumas






Baigiamojo darbo pavadinimas: Mechaniškai tvirtų medžiagų sintezė in situ, Skaidrūs nanopluoštu sustiprinti hidrogeliai labai jautriems keliems jutimams


DOI: 10.1002 / adfm. 202103117




(Šaltinis: Polimerų mokslo ribos)