纳米颗粒改变聚合物复合材料的发展

       能源部(DoE)的研究人员已经发现通过将纳米颗粒与聚合物材料共混来提高聚合物性能的方式。


      由DoE的橡树岭国家实验室(ORNL)领导的科学家团队正在研究聚合物结构作用、纳米颗粒和聚合物之间的相互作用以及纳米颗粒尺寸和形状对聚合物纳米复合材料的结构、动力学和宏观特性的影响，以便用于众多应用。


      这些团队还包括来自伊利诺伊大学香槟分校(伊利诺斯州)和田纳西大学诺克斯维尔(UTK)的研究人员，以完善新型复合聚合物的设计，因为它们可以调整机械、化学、电学、光学和热学性质。


      ORNL和UTK的研究人员Alexei Sokolov特别指出，该团队正在努力验证纳米粒子尺寸的缩小会对聚合物纳米复合材料的力学性能产生不利影响。


      研究人员表示：“纳米颗粒的尺寸，我们预计这不会影响纳米复合材料的性能或劣化，确实给了我们惊喜。”


      研究人员研究到的并不是最佳的纳米粒子尺寸，而是相信他们会发现的。相反，他们发现，真正的小纳米颗粒使他们能够看到全新的属性。


      在左侧，小纳米颗粒粘附到与纳米颗粒本身大小相同大小的聚合物链段;这些相互作用产生聚合物纳米复合物，其更容易加工，因为纳米颗粒移动快，快速使材料变得粘稠。在右侧，聚合物链的许多部分粘附到较大的纳米颗粒，使得该纳米颗粒难以移动。其较慢的运动导致更难处理的粘性材料。(Jan-Michael，Carrillo，美国能源部橡树岭国家实验室)


      这不是因为尺寸而是小颗粒比大颗粒移动得更快，并且与同一链上的聚合物链段相互作用。更多的聚合物链段粘附到大的纳米颗粒上，使得链从该纳米颗粒的游离困难。


      专家说：“现在我们意识到我们可以调整颗粒的流动性——通过改变颗粒大小以及它们与聚合物的相互作用有多强，通过改变它们的表面移动速度。我们可以调整纳米粒子的迁移率，例如它们的重量和大小，我们还可以通过调节其相互作用的强度来调整纳米颗粒以及聚合物游离的时间。”


      这两个参数都会对宏观特性产生巨大的影响。专家说：“这些参数不可能用较大的纳米颗粒所需范围内，这可能是没有人实际尝试过的原因。”


      他说，该团队的工作应用范围广泛，彰显了一种新的方法来控制已被广泛使用的纳米复合材料的性能。专家补充说：“我们期望这个想法将被许多研究人员用于特定应用开发各种聚合物纳米复合材料。


      科学家计划继续深入研究纳米颗粒迁移率和聚合物纳米颗粒吸附时间对复合材料宏观特性的影响，以获得之前不可能实现的独特性质。