Micro- en nano-assemblage van composietdeeltjes door elektrostatische adsorptie

Inleiding

In de tegenwoordig op nanoschaal gerichte samenleving zijn ontwerp en fabricage van nano-architectuur nog nooit zo cruciaal geweest en hebben ze de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Bottom-up assemblages zoals zelf-geassembleerde monolagen en een laag-voor-laag (LbL) assemblagetechniek die gebruik maakt van elektronische adsorptie hebben aanzienlijke belangstelling getrokken van onderzoekers [1,2,3]. Dit heeft geleid tot een nieuw concept dat bekend staat als nano-architectuur, waarbij een integratie van hybride polymeer en anorganische nano-architectuur wordt gebruikt voor morfologisch ontwerp op nanoschaal [4]. Sinds de ontdekking door Decher et al. omvatte het meeste gerapporteerde werk de vorming van een of meer lagen films (coatings) op de oppervlakken en de focus op moleculaire engineering van het oppervlak [5, 6], geconjugeerde polymeren, biocomponenten, grafeen , en fullereen [7]. De LbL-methode heeft een aanzienlijk potentieel geopend voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen die een nauwkeurig ontwerp vereisen, zoals kernschalen voor medicijnafgifte en fotonische kristallen, evenals selectieve functionele moleculen [8, 9]. Gecontroleerde assemblage van micro- en nanodeeltjes met behulp van een elektrostatische adsorptietechniek wordt echter zelden gerapporteerd [10]. Mo et al. demonstreerde de assemblage van op ZnO nanostaafjes gebaseerde holle hemisfeer-assemblage met behulp van hydrothermische thermolyse van Zn-precursor in aanwezigheid van 2  g polymeer met lange keten met een grote zijgroep, poly (natrium 4-styreensulfonaat) (PSS) [11]. Ze zeiden dat de aanwezigheid van een in water oplosbare lange keten met een grote zijgroep cruciaal is voor de vorming van de unieke samengestelde structuur die uit holle hemisferen bestaat. Er wordt gezegd dat de lange keten clustering van secundaire colloïdale deeltjes bevordert, wat zou leiden tot daaropvolgende ruimtebeperkte kristallisatie en oplossing. Met behulp van hetzelfde concept is het ook aangetoond dat het mogelijk is om driedimensionale polymeerschillen te fabriceren met behulp van kernen die bestonden uit een oplosbaar colloïdaal sjabloon door Decher [12, 13] en Caruso et al. [14]. Hun werken hebben de basis gelegd voor meer materiaalontwerp met behulp van de EA-methode. Er is ook gemeld dat de grootte en dichtheid van de nanostructuren van een materiaal die tijdens bio-engineering worden toegepast, specifiek de gewenste biologische eigenschappen kunnen induceren [15, 16]. Visalakshan et al. hebben gerapporteerd over een veelzijdige en schaalbare gecontroleerde vorming van covalent gebonden Au-deeltjes op een plasma-afgezette polymethlyoxazoline-tussenlaag met een goed gedefinieerde nanotopografie die kan worden toegepast op biomateriaaltechnologie-gerelateerde technologieën [15]. In een ander werk gerapporteerd door Li et al., hebben ze de haalbaarheid aangetoond om bifunctionele microsferen te verkrijgen die bestonden uit Fe₂ O₃ (kern) en SiO₂ (schaal) met Au-nanodeeltjes geadsorbeerd aan het oppervlak door interactie met polyethyleenimine via de LbL-methode. Het bifunctionele hybride composiet vertoonde uitstekende katalytische prestaties in organische en anorganische reductie, terwijl het superparamagnetische eigenschappen bezat die een efficiënte scheiding mogelijk maakten met behulp van magnetisch veld [17]. De bovengenoemde werken hebben het belang van micro- en nano-assemblage verder benadrukt voor het genereren van gewenste eigenschappen voor verschillende geavanceerde functionele toepassingen. Vooruitkijkend naar fabricage op grote schaal, rapporteerden Hueckel en Sacanna over een mix-and-melt-reactiemethode die snelle massaproductie van anisotrope core-shell-colloïden mogelijk maakt met behulp van elektrostatische zelfassemblage [18]. In de LbL-methode blijven, ondanks de mogelijke toepassing van ongeladen deeltjes/colloïden, de geladen deeltjes nog steeds de veelgebruikte methode door de assemblage van meerlaags polyelektrolyt [19]. Afgezien van het gebruik van polyelektrolyt, kan de zeta-potentiaal ook worden geregeld met behulp van pH-aanpassing, afhankelijk van het materiaal dat in de composietformatie wordt gebruikt [20, 21]. De opeenvolgende toepassing van tegengesteld geladen polyelektrolyt zou de sterkte van de oppervlaktelading kunnen verhogen, evenals de stabiliteit van de polyelektrolytcoatings, wat kan worden bepaald met behulp van zeta-potentiaalmeting [13, 22]. Wanneer de zeta-potentiaal van een met oppervlaktelading gemodificeerd deeltje gelijk is aan of groter is dan +/− 40 mV, wordt gerapporteerd dat dit voldoende is om een ​​goede stabiele elektrostatische interactie te verkrijgen om agglomeratie te voorkomen en in colloïdale vorm te blijven [21, 23]. Ondanks de vooruitgang en ontwikkeling van de LbL-methode, wordt het gebruik ervan voor het ontwerp van materialen en composieten, ondanks het enorme potentieel ervan, zelden gerapporteerd. Daarom hebben we in dit werk niet alleen een gemakkelijke en superieure methode gedemonstreerd om een ​​homogeen materiaalmengsel te verkrijgen met behulp van de EA-methode, maar hebben we ook de haalbaarheid gerealiseerd van composietmateriaalontwerp dat de grenzen tussen materialen en vorm overschrijdt. Het potentieel van de EA-methode werd verder uitgebreid door de haalbaarheid van deze methode aan te tonen voor het decoreren van gewenste additieven op onregelmatig gestructureerde materialen zoals urethaanschuim, plaatachtig boornitride (BN) en staafachtige gestructureerde materialen. Wat betreft conventionele mengmethoden, zoals mechanisch malen, is het vaak het geval dat de structuur van de voorloper gedegenereerd of veranderd is als gevolg van vluchtige impact en warmteontwikkeling. Bovendien treedt er ook agglomeratie van het mengsel op, wat dan de uiteindelijke eigenschappen van de composietmaterialen zou beïnvloeden [21, 24, 25]. Om dit probleem op te lossen, is een methode voor nauwkeurig ontwerp van materialen op nanoschaal onontbeerlijk om te komen tot geavanceerde precisieproductie. Figuur 1 is een schematische weergave van de vergelijking van de microstructuren die kunnen worden verkregen via een conventionele mechanische freesmethode met het optreden van aggregatie in vergelijking met een nieuwe homogene decoratie van composietmaterialen via de EA-methode. Een goed verdeelde microstructuur zou kunnen worden verkregen door de homogeen gedecoreerde composietmaterialen te gebruiken om de gewenste eigenschappen te genereren uit een functioneel composietmateriaal. In een recent gerapporteerd werk werd een homogene decoratie van indiumtinoxide (ITO) nanodeeltjes op het oppervlak van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) aangetoond met behulp van de EA-methode. De verkregen ITO-PMMA-composietpoeders werden vervolgens gebruikt om een ​​pellet te fabriceren met een goede transparantie in het zichtbare lichtgebied en een controleerbaar IR-lichtafschermend effect [21]. Daarom is een duidelijk overzicht van de EA-methode voor micro- en nanoassemblage essentieel om de haalbaarheid en het potentieel van deze techniek voor materiaalontwerp te benadrukken. Het fundamentele principe voor dit nieuwe werk wordt geïllustreerd in figuur 2, waar de controle van de oppervlaktelading wordt uitgevoerd met behulp van polyelektrolyten (polykation en polyanion) om homogene decoratie van gewenste additieve deeltjes op het primaire/moederdeeltje mogelijk te maken. Door gebruik te maken van de aantrekkingskracht, kunnen nanocomposieten met een aanzienlijke homogeniteit worden bereikt, ongeacht de structurele complexiteit. Het behoud van de primaire en secundaire nanostructuren zoals nanovezels en nanostaafjes zou kunnen worden bereikt in vergelijking met de conventionele mechanische freesmethode die hun oorspronkelijke morfologische structuur zou vernietigen. In termen van fabricagekosten is de EA-methode ook een meer kosteneffectieve methode. Freymann et al. benadrukte ook dat de EA-methode een uitstekende bottom-up assemblagemethode is voor de fabricage van fotonische kristallen, in tegenstelling tot de extreem dure top-down benaderingen [8]. De aangetoonde haalbaarheid van het nano-architecturale composietontwerp dat in dit nieuwe werk wordt gedemonstreerd, zou een nuttig platform kunnen zijn voor verschillende toepassingen vanwege zijn kostenconcurrentievermogen en eenvoud. Vorming bij kamertemperatuur en de superieure homogeniteit van deze methode hebben een aanzienlijk voordeel voor precieze poedergebaseerde fabricagetechnologie zoals aërosolafzetting [25], keramische 3D-printtechnologie en lasersinteren met additieve fabricage [26, 27]. De toepasbaarheid van deze EA-methode voor nuttige praktische toepassingen is ook aangetoond in ons recent gerapporteerde werk voor IR-lichtafscherming [21], mechanische eigendomscontrole van op koolstof gebaseerde aluminiumoxidecomposiet [24] en oplaadbare Fe-luchtbatterij [20].

Vergelijking van de microstructuren verkregen met behulp van a conventionele mechanische freesmethode en b nieuwe elektrostatische adsorptietechniek voor de fabricage van composietmaterialen

Schema van de aanpassing van de elektrostatische lading aan het oppervlak met behulp van polykation en polyanion voor het formatie-composietdeeltje

Experimentele procedures

Vorming van Al₂ O₃ -SiO₂ Samengestelde deeltjes

De experimenten werden uitgevoerd met in de handel verkrijgbare monodisperse sferische SiO₂ deeltjes (gemiddelde deeltjesdiameter 8,8 m, Ube EXSYMO) en aluminiumoxide (Al₂ O₃ ) deeltjes (gemiddelde deeltjesgrootte 100 nm, Taimei Chemical Co., Ltd.). Het gebruikte polykation en polyanion waren respectievelijk polydiallyldimethylammoniumchloride (PDDA) (gemiddeld molecuulgewicht 100.000 tot 200.000, Sigma-Aldrich) en polynatriumstyreensulfonaat (PSS) (gemiddeld molecuulgewicht 70.000, Sigma-Aldrich). De primaire SiO₂ deeltjes werden ondergedompeld in de polyelektrolyten in de volgorde van PDDA, PSS, PDDA en PSS om een ​​negatieve oppervlaktelading te induceren. Wat betreft de Al₂ O₃ deeltjes, werd de oppervlaktelading bereid door onderdompeling in PSS en PDDA om een ​​positieve oppervlaktelading te verkrijgen. De oppervlakte-zeta-potentiaal werd gecontroleerd door herhaalde meerlaagse coating door het LbL-proces [12, 13, 28]. Eindelijk, de schorsing van SiO₂ en Al₂ O₃ deeltjes met de tegengestelde zeta-potentiaal werden met elkaar vermengd. De pH van de bereide oplossing lag in de buurt van 7-8 (neutraal). Wanneer PDDA of PSS aan een waterige oplossing werd toegevoegd, veranderde de pH van de oplossing in respectievelijk ongeveer 5,5 en 6,8. Na de toevoeging van PDDA en PSS werden de oplossingen vervolgens verschillende keren gewassen en gespoeld (tot vier keer) om de overmatige PDDA en PSS uit de oplossing te verwijderen. Na wassen en spoelen keerde de pH terug naar een oorspronkelijke pH van ongeveer 7-8. Hoewel de verkregen suspensie enkele dagen stabiel was, werden ze enkele uren na bereiding gebruikt voor de elektrostatische montage. Kleinere elektrostatisch geladen deeltjes (secundair) werden aangetrokken naar en gehecht aan de grotere deeltjes (primair) die de nano/microcomposietdeeltjes vormden. Het schema van het algehele fabricageproces van de Al₂ O₃ -SiO₂ composietdeeltjes worden getoond in Fig. 3. De Al₂ O₃ en SiO₂ composietdeeltjes werden gemengd en tot 180 min geroerd om volledige adsorptie mogelijk te maken. Bij het onderzoek naar dekkingscontrole werd de hoeveelheid deeltjesadsorptie aangepast door de mengverhouding van de voorlopers te wijzigen met behulp van de onderstaande formule:

$$ {W}_a=C{V}_a{\rho}_a\frac{W_m}{\rho_m{V}_m} $$ (1)

Schema van een Al₂ O₃ -SiO₂ vorming van composietdeeltjes na laag-voor-laag coatingproces van PDDA en PSS

W _een is de toegevoegde deeltjeshoeveelheid (g), C is de dekkingsgraad van de secundaire deeltjes op de primaire deeltjes (C = S _een /S _m ; S _een is de dwarsdoorsnede [m ² ] van de additieve deeltjes terwijl S _m is het oppervlak van de primaire deeltjes [m ² ]), V _een is het volume van één additief deeltje [m ³ ], ρ _een is de dichtheid van additieve deeltjes [g/m ³ ], W _m is de hoeveelheid van de primaire deeltjes [g], ρ _m is de dichtheid van de primaire deeltjes [g/m ³ ], en V _m is het volume van één primair deeltje [m ³ ]. In deze studie werd de hoeveelheid additieve deeltjes aangepast tot 25, 50 en 75% oppervlaktedekkingen van een constante hoeveelheid primair SiO₂ deeltjes. De schatting van de dekking van de Al₂ O₃ -SiO₂ Het verkregen composiet werd ook berekend uit de SEM-beelden en getabelleerd in Tabel 1. In een ander onderzoek naar het effect van depositietijd tijdens het reactieproces, werd de duur voor Al₂ O₃ en SiO₂ de vorming van composietdeeltjes werd onderzocht met tussenpozen van 5, 15 en 60 min met een constante dekking van 25%.

Vorming van SiO₂ -SiO₂ Samengestelde deeltjes met grootteregeling

In dit onderzoek, om de haalbaarheid aan te tonen van het ontwerpen van een composiet dat bestaat uit hetzelfde materiaal maar van verschillende afmetingen, SiO₂ met deeltjesgroottes van 1, 4 en 16 m (Ube EXYMO) werden gebruikt. Wat betreft de primaire 16 μm SiO₂ deeltjes werd een LbL-coating van PDDA/PSS/PDDA/PSS uitgevoerd, terwijl voor de secundaire kleinere 1- en 4-μm SiO₂ deeltjes, werd LbL-coating van PDDA/PSS/PDDA uitgevoerd. De suspensies werden vervolgens gemengd en dienovereenkomstig geroerd.

Vorming van verschillende composietcombinaties met behulp van EA-methode

Om de haalbaarheid en flexibiliteit van deze nieuwe methode in composietontwerp met verschillende materialen en vormen verder aan te tonen, materialen zoals Al₂ O₃ , polymethylmethacrylaat (PMMA), koolstofnanobuis (CNT), boornitride (BN), koolstofvezel en siliciumcarbide (SiC) in de structurele vorm van vezels, snorhaar, nanoblad en een onregelmatige schuimachtige structuur werden gebruikt om de composieten via de EA-methode. Afhankelijk van het materiaal verschilt de modificatie van de oppervlaktelading. Voor Al₂ O₃ en SiO₂ die respectievelijk positieve en negatieve oppervlaktelading bezitten, werden PSS en PDDA gebruikt om de tegenovergestelde lading te induceren totdat de zeta-potentiaal hoger is dan +/- 40 mV voorafgaand aan elektrostatische assemblage. Voor materialen met een laag of verwaarloosbaar zeta-potentieel, zoals PMMA, koolstofmicrosferen, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethaan, werd een eerste laag oppervlakteactieve stof, natriumdeoxycholaat (SDC), gebruikt om een ​​negatieve oppervlaktelading te coaten en te induceren aan de oppervlakte gevolgd door PDDA. Meerdere afwisselende lagen PDDA en PSS werden aangepast totdat de zeta-potentiaal hoger is dan +/- 40 mV voorafgaand aan het mengen om elektrostatische assemblage mogelijk te maken. Om bijvoorbeeld composiet te verkrijgen dat bestaat uit koolstof-microsfeer-Al₂ O₃ , het oppervlak van het primaire deeltje Al₂ O₃ was oppervlakte-geladen gemodificeerd met behulp van PSS om een ​​negatieve oppervlaktelading te induceren. Wat betreft de secundaire koolstofmicrosferen, werd een eerste coating van SDC uitgevoerd en gevolgd door PDDA om een ​​positieve zeta-oppervlaktepotentiaal te genereren. Als de zeta-potentiaal kleiner is dan + 40 mV, wordt een afwisselende coating van PSS/PDDA uitgevoerd om een ​​hoger en stabieler oppervlaktepotentiaal voor de elektrostatische assemblage te verkrijgen. Dan, de oppervlakte-geladen gemodificeerde Al₂ O₃ en koolstofmicrobolletjes waterige oplossing werden gemengd en geroerd om het elektrostatische adsorptieproces te bevorderen. Een vergelijkbare benadering werd toegepast op PMMA, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethaan voorafgaand aan het elektrostatische assemblageproces.

Methode, morfologische observatie en meting

Een ultrasone homogenisator (QSonica, LLC., Q 700) werd gebruikt om de geagglomereerde deeltjes in een oplossing te dispergeren. Een vriesdroger (FDU-1200, Tokyo Science Instrument Co., Ltd.) werd gebruikt voor het drogen van de verkregen samengestelde deeltjessuspensie. De morfologieën verkregen na EA werden waargenomen met behulp van een S-4800 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM, Hitachi S-4800). De zeta-potentiaal werd gemeten met meetapparatuur van Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 en Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd.

Resultaten en discussie

Afbeelding 4 toont de SEM-afbeeldingen van de verkregen Al₂ O₃ -SiO₂ composietdeeltjes met de verschillende dekkingen van respectievelijk 25, 50 en 75%. Het is duidelijk te zien dat de Al₂ O₃ nanodeeltjes zijn homogeen verdeeld over het oppervlak van de SiO₂ deeltje. Van de SEM-afbeeldingen, de hoeveelheid Al₂ O₃ deeltjes geadsorbeerd op het oppervlak van de SiO₂ deeltjes werd berekend en is samengevat in tabel 1. Op basis van de verkregen resultaten zijn de gemeten waarden van de geschatte dekking bij benadering de beoogde doeldekking van 25, 50 en 75%. Dit resultaat toont aan dat door gebruik te maken van deze nieuwe EA-methode, de dekking kan worden gecontroleerd door de hoeveelheid additieve deeltjes aan te passen, terwijl een zeer goede homogene dekking behouden blijft waar de secundaire Al₂ O₃ deeltjes worden gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van primair SiO₂ deeltje zonder enig teken van agglomeratie of geconcentreerde vlekken. In de afzonderlijke studie van de reactietijd tijdens het mengen en roeren, worden de SEM-beelden van de composietdeeltjes (25% dekking) verkregen na 5, 15 en 60 min getoond in Fig. 5. De hoeveelheid additieve deeltjes die op de primaire SiO₂ deeltje werd waargenomen met de tijd toe te nemen. Het is opmerkelijk dat zelfs bij een korte meng- en roertijd van 5 min, de additiefdeeltjes gelijkmatig over het oppervlak van SiO₂ worden verdeeld. deeltjes (niet geagglomereerd). Bij verlengde meng- en roertijden van 15 en 60 min wordt de hoeveelheid afgezet Al₂ O₃ dienovereenkomstig verhoogd. Na 60 min, de hoeveelheid Al₂ O₃ deeltjes verkregen op SiO₂ vergelijkbaar is met die verkregen in de bovengenoemde 25% distributiedekking. Hieruit blijkt dat de deeltjesdepositie van de EA-methode afhankelijk is van de reactietijd (mengen en roeren). Het algehele tijdsafhankelijkheidsgedrag van Al₂ O₃ adsorptie op SiO₂ voor verschillende dekkingsgraden en de gemeten zeta-potentiaal zijn samengevat in Fig. 6. Uit Fig. 6a, om een ​​dekking van 25% te verkrijgen, is de tijd die nodig is om een ​​afzettingsplateau te bereiken 60 min, terwijl die met een hogere oppervlaktedekking vereist zijn een langere tijd tot 180 min. De depositievertraging wordt veroorzaakt door de toename van Al₂ O₃ deeltjessuspensie die leidt tot de verhoogde Al₂ O₃ adsorptie op SiO₂ die vervolgens resulteerde in het optreden van een sterisch hinderingseffect [5, 29]. Uit figuur 6b blijkt dat de schijnbare zeta-potentiaal van Al₂ O₃ -SiO₂ composiet verschoof geleidelijk van negatief naar positief met toenemend additief Al₂ O₃ deeltjes dekking. Als de hoeveelheid positief geladen Al₂ O₃ deeltjes geadsorbeerd op SiO₂ verhoogd, nam ook de positieve zeta-potentiaal van het oppervlak toe, wat een afschermend effect genereerde dat de daaropvolgende Al₂ verhinderde O₃ te adsorberen op SiO₂ en veroorzaakt de afzetting vertraging. De homogene verdeling van positief geladen Al₂ O₃ deeltjes over het oppervlak van SiO₂ op bijna dezelfde afstand tussen elke Al₂ O₃ deeltje resulteerde in het genereren van het sterische effect waarvan wordt gedacht dat het equivalent is aan dat van het negatief geladen SiO₂ deeltje. Dit resulteert dus in het bereiken van een iso-elektrisch punt. In het werk gerapporteerd door Xu et al., hebben ze een bijna vergelijkbare waarneming gerapporteerd waarbij, door de ladingsdichtheid van polyelektrolyt, de ruwheid van de membraanfilm en afstandsvariatie van het substraat te regelen, evenals het belang van sterische beperkingen voor het ion tot ion tussenruimte in polyelektrolyt-paren werd getoond [30].

SEM-afbeeldingen van de Al₂ O₃ -SiO₂ composietdeeltjes met een verschillende dekking van a 25, b 50, en c 75%, respectievelijk

SEM-afbeeldingen van de Al₂ O₃ -SiO₂ composietdeeltjes die a . werden gemengd en geroerd 5, b 15, en c respectievelijk 60 min, met een vaste additieve deeltjeshoeveelheid van 25% dekking

een Tijdsafhankelijkheidsgedrag van Al₂ O₃ adsorptie op SiO₂ deeltje voor verschillende opschortingsdekkingsratio's. b Zeta-potentiaal van Al₂ O₃ -SiO₂ composietdeeltjes verkregen met verschillende dekkingspercentages. Er werden drie onafhankelijke monsters bereid en er werden gemiddeld vijf metingen uitgevoerd om de standaarddeviatie te verkrijgen

Bij het aantonen van de vorming van composietdeeltjes die uit hetzelfde materiaal maar van verschillende grootte bestaan, is het ook belangrijk om de oppervlakte-zeta-potentiaal aan te passen door het aantal afwisselende polyelektrolytcoatings aan te passen. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 toont de geleidelijke toename van het zeta-potentieel met het aantal afwisselende PDDA- en PSS-coatings. De zeta-potentiaal nam één keer toe van ongeveer -30 tot -60 mV na vier lagen coating. De SEM-beelden van de SiO₂ composietdeeltjes worden getoond in Fig. 7, die een uitstekende verdeling van sub-micro SiO₂ laten zien deeltjes op een 16 μm SiO₂ deeltje. In Fig. 7a, sub-gemicroniseerd SiO₂ deeltjes van ongeveer 1 m worden homogeen verdeeld over het oppervlak van een 16  μm SiO₂ deeltje terwijl in Fig. 7b, grotere SiO₂ microdeeltjes van ongeveer 4 m blijken op een vergelijkbare manier goed verdeeld te zijn. Dit toont aan dat door de sterkte van de oppervlaktelading aan te passen, grotere additiefdeeltjes ook kunnen worden gebruikt voor de fabricage van composietmaterialen via de EA-methode. Om de haalbaarheid en toepasbaarheid van deze nieuwe methode verder aan te tonen, zijn verschillende materialen zoals Al₂ O₃ , PMMA, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethaan, waarbij verschillende vormen zijn betrokken, zoals vezels, evenals snorhaar en schuim met een onregelmatige structuur, werden gebruikt voor de vorming van composiet. De morfologieën van de verkregen composieten worden getoond in Fig. 8, wat een homogene decoratie van gewenste additieve deeltjes op verschillende primaire deeltjes en raamwerken aangeeft via de EA-methode. In Fig. 8a-c, de decoratie van verschillende structuren zoals koolstofmicrosferen, hoge aspectverhouding CNT en BN nanosheets op verschillende materialen die bestaan ​​uit Al₂ O₃ , PMMA en SiO₂ microbolletjes worden respectievelijk getoond. Aan de andere kant is de homogene decoratie van SiO₂ en Al₂ O₃ nanodeeltjes op niet-bolvormige en onregelmatige structuren werden aangetoond op koolstofvezel, SiC-whisker en urethaanschuim, zoals respectievelijk weergegeven in Fig. 8d-f. Daarom heeft dit unieke werk een nieuwe techniek van gecontroleerde micro- en nano-assemblage gedemonstreerd die een enorm potentieel heeft voor materiaalontwerp dat verschillende materialen omvat, evenals morfologische dimensies die een invloedrijke invloed kunnen hebben op de ontwikkeling en het ontwerp van composietmaterialen voor precisiefabricage technologieën. De beperkingen van de EA-methode zijn de vereiste waterige bereiding van materiaal met een dichtheid hoger dan die van water (1 g/cm ³ ), de moeilijkheid bij grootschalige productie en de vereiste van meerdere keren reinigen om de overtollige polyelektrolyten uit de oplossing te verwijderen. Vanuit dit project is echter een geavanceerd grootschalige oppervlakteladingmodificatiesysteem voor precursoren ontwikkeld voor een opschaling van de productie van geavanceerde materiële nano-assemblage met behulp van aangepaste apparatuur met realtime monitoring. Deze apparatuur maakt de controle en wijziging van de zeta-potentiaal van de oppervlaktelading (positief/negatief) mogelijk van een waterige oplossing met een groot volume (ongeveer 10 l) die de aangewezen uitgangsprecursormaterialen bevat. Nadat de gewenste zeta-potentiaal is bereikt, worden de aan het oppervlak geladen gemodificeerde uitgangsmaterialen gemengd om de daaropvolgende elektrostatische adsorptie te bevorderen om het gewenste composietmateriaal te genereren.

SEM-beelden van de SiO₂ composietdeeltjes die bestaan ​​uit a 1-μm SiO₂ deeltjes en b 4-μm SiO₂ deeltjes versierd op een 16 μm SiO₂ deeltje volgens EA-methode die een homogene verdeling aantoonde

SEM-afbeeldingen van de nano- en micro-geassembleerde composieten verkregen met de EA-methode. een koolstofmicrosferen-Al₂ O₃ , b CNT-PMMA, c BN-SiO₂ , d SiO₂ -koolstofvezel, e Al₂ O₃ -SiC snorhaar, en f Al₂ O₃ -urethaanschuim

Met behulp van de EA-methode die in dit werk wordt beschreven, zijn verschillende composietmaterialen vervaardigd en gerapporteerd door onze groep voor toepassingen zoals gecontroleerde mechanische eigenschappen van op aluminiumoxide gebaseerde koolstofcomposiet [24], snelle vorming van composietkeramische films bij kamertemperatuur door aërosolafzetting [25] ], gecontroleerde IR-lichtafschermende eigenschap van PMMA-ITO-polymeercomposiet [21] en oplaadbare Fe-luchtbatterij [20]. In een recent werk met betrekking tot de fabricage van PMMA-polymeermatrixcomposiet met ITO-nanodeeltjes, heeft PMMA-ITO-composietpellet die een goede transparantie in het zichtbare lichtgebied vertoonde, terwijl het de controle van het IR-lichtafschermende effect mogelijk maakte door de hoeveelheid ITO-nanodeeltjesopname te regelen, gemeld [21]. Dit toont dus aan dat naast anorganische materialen de elektrostatische assemblagemethode ook voor polymere materialen kan worden toegepast.

Conclusies

De haalbaarheid om de dekking van het additieve deeltje op een primair deeltje in een composietfabricage te regelen, wordt in dit nieuwe werk aangetoond. Het fundamentele experimentele werk werd uitgevoerd door decoratie van Al₂ O₃ nanodeeltjes op SiO₂ microdeeltjes als functie van oppervlaktedekking en reactietijd. Controledecoratie met oppervlaktedekkingen van 25, 50 en 75% werden ook aangetoond door de hoeveelheid additief en EA-tijd aan te passen. Met het oog op de vooruitgang van materiaalontwerp op nanoschaal, hebben we ook de haalbaarheid aangetoond om micro- en nano-assemblage van deeltjescomposieten te bereiken op een breed scala aan materialen met verschillende morfologische structuren bij kamertemperatuur met behulp van een EA-methode. Een superieure homogeniteit met controleerbare oppervlaktedekking wordt ook gedemonstreerd in dit nieuwe werk. De mogelijke toepassingen van de gefabriceerde composietmaterialen met behulp van de EA-methode zijn selectieve lasersintering, aerosolafzetting van composietkeramische films, IR-afschermende materialen en oplaadbare metaal-luchtbatterij. De systematische bevindingen van dit werk kunnen een platform vormen voor materiaalontwerp op nanoschaal in de richting van meer geavanceerde nanofabricage in de toekomst.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel [en de aanvullende informatiebestanden].

Afkortingen

BN:

Boornitride

CNT:

Koolstof nanobuisje

EA:

Elektrostatische adsorptie

PDDA:

Polydiallyldimethylammoniumchloride

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

PSS:

Polynatriumstyreensulfonaat

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

SiC:

Siliciumcarbide