Gecontroleerde elektrostatische laag-voor-laag assemblage voor micro- en nanoschaal composietdeeltjes

Samenvatting

2O₃) en silica (SiO₂) composiet als studiomodel, wat uitgevoerd werd als functie van oppervlakte zetapotentiaal, oppervlaktebedekkingspercentage en verwerkingstijd. Het aanzienlijke potentieel van deze techniek voor composietmateriaalontwerp wordt verder gedemonstreerd met gecontroleerde assemblage met verschillende materialen in diverse structurele vormen zoals vezel, whisker, nanovellen en zelfs onregelmatig-vormige schuimachtige urethane. De composietmaterialen ontworpen met deze EA-methode bezitten goede potentiën om te worden gebruikt voor diverse toepassingen zoals mechanische eigenschapscontrole, composietkeramische filmvorming, selectieve lasersintering en herlaadbare metaal-luchtbatterij.

Inleiding

In de huidige nanoschaal-gefocuste samenleving zijn nano-architectuurontwerp en -fabricatie nooit cruciaaler geweest en hebben een snelle ontwikkeling doorgemaakt in de afgelopen jaren. Bottom-up assemblages zoals zelf-geassembleerde monolagen en een laag-voor-laag (LbL) assemblagetechniek die elektronische adsorptie gebruikt, hebben significante interesse getrokken van onderzoekers [1-3]. Dit heeft geleid tot een nieuw concept genaamd nano-architectonics waarbij een integratie van hybride polymeren anorganische nano-architectuur wordt gebruikt voor nanoschaalmorfologisch ontwerp [4]. Sinds de ontdekking door Decher et al. betrof het merendeel van het gerapporteerde werk de vorming van één of meerdere lagen films (coatings) op oppervlakken en focus op oppervlaktemoleculaire techniek [5, 6], geconjugeerde polymeren, bio-componenten, grafeen en fullereen [7]. De LbL-methode heeft significante potentiële mogelijkheden geopend voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen die precies ontwerp vereisen zoals kern-schillen voor medicijnafgifte en fotonische kristallen alsook selectieve functionele moleculen [8, 9]. Echter, gecontroleerde assemblage van micro- en nanodeeltjes met behulp van een elektrostatische adsorptietechniek wordt zelden gerapporteerd [10]. Mo et al. demonstreerden de assemblage van ZnO-nanostaaf-gebaseerde holle halfbol-assemblage met behulp van hydrothermale thermolyse van Zn-voorloper in aanwezigheid van 2 g lang-ketenpolymer met een grote zijgroep, poly(natrium 4-styreensulfonate) (PSS) [11]. Ze vermeldden dat de aanwezigheid van een wateroplosbare lange keten met een grote zijgroep cruciaal is voor de vorming van de unieke geassembleerde structuur die bestaat uit holle halfballen. De lange keten zou clustering van secundaire colloidale deeltjes bevorderen wat zou leiden tot daaropvolgende ruimtelijk-beperkte kristallisatie en oplossing. Met behulp van een vergelijkbaar concept is het ook aangetoond dat het mogelijk is om driedimensionale polymerschillen te fabriceren met kernen die bestonden uit oplosbare colloidale sjablonen door Decher [12, 13] en Caruso et al. [14]. Hun werk heeft de basis gelegd voor meer materiaalontwerp met de EA-methode. Het is ook gerapporteerd dat de grootte en dichtheid van een materiaal nanostructuren toegepast tijdens bio-engineering 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-gedeponeerd polymethyloxazoline interlaag met een goed gedefinieerde nano-topografie die toegepast kan worden op biomateriaal engineering-gerelateerde technologieën [15]. In een ander werk gerapporteerd door Li et al., hebben ze de haalbaarheid aangetoond om bifunctionele microspheren te verkrijgen die bestonden uit Fe₂O₃ (kern) en SiO₂ (schil) met Au-nanodeeltjes geadsorbeerd op het oppervlak via interactie met polyethyleenimine door de LbL-methode. De bifunctionele hybride composiet toonde uitstekende katalytische prestaties in organische en anorganische reductie terwijl het superparamagnetische eigenschappen bezat die efficiënte scheiding met magneetveld mogelijk maakten [17]. De bovenstaande werken hebben het belang van micro- en nano-assemblage naar de generatie van gewenste eigenschappen voor diverse geavanceerde functionele toepassingen nog meer benadrukt. Kijkend naar grootschalige fabricatie, rapporteerden Hueckel en Sacanna over een mix-and-smelt reactiemethode die snelle massaproductie van anisotrope kern-schil colloïden mogelijk maakt met behulp van elektrostatische zelfassemblage [18]. In de LbL-methode, ondanks de mogelijke toepassing van ongeladen deeltjes/colloïden, blijven de geladen nog steeds de veelgebruikte methode door de assemblage van meervoudige polyelektrolyetlagen [19]. Naast polyelektrolyetutilisatie, kan het zetapotentiaal ook worden gecontroleerd met pH-aanpassing afhankelijk van het materiaal dat in de composietvorming wordt gebruikt [20, 21]. De opeenvolgende toepassing van tegenovergesteld geladen polyelektrolyet kan de oppervlakteladingssterkte en stabiliteit van de polyelektrolyetcoatings verhogen wat kan worden bepaald met zetapotentiaalmeting [13, 22]. Wanneer het zetapotentiaal van een oppervlaktelading-gemodificeerd deeltje equivalent is of meer dan +/− 40 mV, wordt gerapporteerd dat dit voldoende is om een goede stabiele elektrostatische interactie te verkrijgen om agglomeratie te vermijden en in colloidale vorm te blijven [21, 23]. Ondanks de vooruitgang en ontwikkeling van de LbL-methode, wordt de er gebruik voor materialen en composieten ontwerp zelden gerapporteerd ondanks haar enorme potentieel. Daarom hebben we in dit werk niet alleen een gemakkelijke en superieure methode gedemonstreerd om een homogene materialenmengsel te verkrijgen met de EA-methode, maar ook de haalbaarheid van composietmateriaalontwerp gerealiseerd dat de grenzen tussen materialen en vorm overschrijdt. Het potentieel van de EA-methode werd verder uitgebreid door de haalbaarheid van deze methode te demonstreren voor decoratie van gewenste additieven op onregelmatig-gestructureerde materialen zoals urethane schuim, velachtige boornitriet (BN), en staafachtig gestructureerde materialen. Wat conventionele mengmethoden zoals mechanisch malen betreft, is het vaak het geval dat de structuur van de voorloper wordt gedegeneerd of gewijzigd door vluchtige impact en warmteopwekking. Bovendien treedt agglomeratie van de mengsel ook op wat dan de eindige eigenschappen van de composietmaterialen zou beïnvloeden [21, 24, 25]. Om dit probleem te overwinnen, is een methode voor precies nanoschaalontwerp van materialen onmisbaar om vooruit te gaan naar geavanceerde precisiefabricatie. Figuur 1 is een schema dat de vergelijking toont van de microstructuren die verkregen kunnen worden via een conventionele mechanische malmethode met agglomeratie optreding vergeleken met een nieuwe homogene decoratie van composietmaterialen via de EA-methode. Een goed-verdeelde microstructuur kon verkregen worden met behulp van de homogene gedecoreerde composietmaterialen om de gewenste eigenschappen te genereren vanuit een functioneel composietmateriaal. In een recent gerapporteerd werk werd een homogene decoratie van indium-tin-oxide (ITO) nanodeeltjes op het oppervlak van poly(methylaacrylaat) (PMMA) gedemonstreerd met behulp van de EA-methode. De ITO-PMMA composietpoeders verkregen werden vervolgens gebruikt om een pellet te fabriceren met goede transparantie in het zichtbare lichtgebied en een controleerbaar IR-lichtschermende effect [21]. Daarom is een duidelijk overzicht van de EA-methode voor micro- en nano-assemblage vitaal om de haalbaarheid en potentieel van deze techniek voor materiaalontwerp te benadrukken. Het fundamentele principe voor dit nieuwe werk is geïllustreerd in Fig. 2 waar de controle van oppervlaktelading wordt uitgevoerd met polyelektrolyten (polycatie en polyanion) om homogene decoratie van gewenste additief deeltjes op de primaire/moederdeeltjes te mogelijk maken. Door gebruik te maken van de aantrekkende kracht, kunnen nanocomposieten met significante homogeniteit worden bereikt ongeacht structurele complexiteit. De behoud van de primaire en secundaire nanostructuren zoals nanovezels en nanostaven kon worden bereikt vergeleken met de conventionele mechanische malmethode die hun oorspronkelijke morfologische structuur zou vernietigen. In termen van fabricatiekosten is de EA-methode ook een meer kosteneffectieve methode. Freymann et al. benadrukten ook dat de EA-methode een uitstekende bottom-up assemblagemethode is voor fotonische kristalfabricatie in tegenstelling tot de extrem duurdere top-down benaderingen [8]. De gedemonstreerde haalbaarheid van het nano-architecturale composietontwerp gedemonstreerd in dit nieuwe werk kan een nuttig platform zijn voor diverse toepassingen vanwege haar kosteneffectiviteit en eenvoud. Kamertemperatuursvorming en de superieure homogeniteit van deze methode houden significant voordeel voor precieze poeder-gebaseerde fabricagetechnologieën zoals aerosoldepositie [25], keramische 3D-printtechnologie, en additieve fabricage lasersintering [26, 27]. De toepasbaarheid van deze EA-methode naar nuttige praktische toepassingen wordt ook gedemonstreerd in ons recent gerapporteerde werk voor IR-lichtscherming [21], mechanische eigenschapscontrole van koolstof-gebaseerde alumina composiet [24], en herlaadbare Fe-luchtbatterij [20].

Vergelijking van de microstructuren verkregen met a conventionele mechanische malmethode en b nieuwe elektrostatische adsorptietechniek voor de fabricatie van composietmaterialen

Schematisch van oppervlakte elektrostatische lading aanpassing met polycatie en polyanion voor de vorming van composietdeeltje

Experimentele Procedures

Vorming van Al₂O₃-SiO₂ Composietdeeltjes

De experimenten werden uitgevoerd met commercieel beschikbare monodisperse sferische SiO₂ deeltjes (gemiddelde deeltjesdiameter 8,8 µm, Ube EXSYMO) en alumina (Al₂O₃) deeltjes (gemiddelde deeltjesgrootte 100 nm, Taimei Chemical Co., Ltd.). De polycatie en polyanion die gebruikt werden waren polydiallyldimethylammoniumchloride (PDDA) (gemiddeld molecuulgewicht 100.000 tot 200.000, Sigma-Aldrich) en polysodium styreensulfonate (PSS) (gemiddeld molecuulgewicht 70.000, Sigma-Aldrich), respectievelijk. De primaire SiO₂ deeltjes werden gedoopt in de polyelektrolyten in de volgorde van PDDA, PSS, PDDA en PSS om een negatieve oppervlaktelading te induceren. Wat de Al₂O₃ deeltjes betreft, werd de oppervlaktelading voorbereid door dompelen in PSS en PDDA om een positieve oppervlaktelading te verkrijgen. Het oppervlakte zetapotentiaal werd gecontroleerd door herhalende meervoudige-laag coating door LbL-proces [12, 13, 28]. Tenslotte werden de suspensies van SiO₂ en Al₂O₃ deeltjes met het tegenovergestelde zetapotentiaal samen gemengd. De pH van de bereide oplossing lag in de buurt van 7–8 (neutraal). Toen PDDA of PSS werd toegevoegd aan een waterige oplossing, veranderde de pH van de oplossing naar ongeveer 5,5 en 6,8, respectievelijk. Na de toevoeging van PDDA en PSS werden de oplossingen vervolgens meerdere keren (tot vier keer) gewassen en gespoeld 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 stabiel was voor meerdere dagen, werden ze voor de elektrostatische assemblage een paar uur na bereiding gebruikt. Kleinere elektrostatisch geladen deeltjes (secundair) werden aangesproken naar en gehecht aan de grotere deeltjes (primaire) wat de nano/micro-composietdeeltjes vormde. Het schema van het algehele fabricatieproces van de Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltjes wordt getoond in Fig. 3. De Al₂O₃ en SiO₂ composietdeeltjes werden gemengd en gerold gedurende maximaal 180 min om complete adsorptie toe te staan. In het onderzoek van bedekkingscontrole werd de hoeveelheid deeltjesadsorptie aangepast door het mengverhouding van de precursors te veranderen met de onderstaande formule:

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

Schematisch van een Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltje vorming na laag-voor-laag coating proces van PDDA en PSS

W_a is de toegevoegde deeltjeshoeveelheid (g), C is de bedekkingsverhouding van de secundaire deeltjes op de primaire deeltjes (C = S_a/S_m; S_a is de dwarsdoorsnede-oppervlakte [m²] van de additieve deeltjes terwijl S_m de oppervlakte van de primaire deeltjes [m²] is), V_a is het volume van één additief deeltje [m³], ρ_a is de dichtheid van additieve deeltjes [g/m³], W_m is de hoeveelheid van de primaire deeltjes [g], ρ_m is de dichtheid van de primaire deeltjes [g/m³], en V_m is het volume van één primaire deeltje [m³]. In deze studie werd de hoeveelheid additieve deeltjes aangepast tot 25, 50 en 75% oppervlaktebedekking van een constante hoeveelheid primaire SiO₂ deeltjes. De bedekkingsschatting van het verkregen Al₂O₃-SiO₂ composiet werd ook berekend uit de SEM-afbeeldingen en in Tabel 1 getabelleerd. In een ander onderzoek naar het effect van depositietijd tijdens het reactieproces, werd de duur voor Al₂O₃ en SiO₂ composietdeeltjesvorming onderzocht op intervallen van 5, 15 en 60 min met een constante bedekking van 25%.

Vorming van SiO₂-SiO₂ Composietdeeltjes met Groottecontrole

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

Vorming van Diverse Composietcombinaties met EA-methode

Om de haalbaarheid en flexibiliteit van deze nieuwe methode in composietontwerp met diverse materialen en vormen verder te demonstreren, werden materialen zoals Al₂O₃, polymethylmethacrylaat (PMMA), koolstofnanobuizen (CNT), boornitriet (BN), koolstofvezel en siliciumcarbide (SiC) in de structurele vorm van vezel, whisker, nanovellen en een onregelmatige schuimachtige structuur gebruikt om de composieten via de EA-methode te vormen. Afhankelijk van het materiaal, verschilt de oppervlakteladingsmodificatie. Voor Al₂O₃ en SiO₂ die positieve en negatieve oppervlaktelading bezitten, respectievelijk, werden PSS en PDDA gebruikt om de tegenovergestelde lading te induceren tot het zetapotentiaal hoger is dan +/− 40 mV voor elektrostatische assemblage. Voor materialen die een laag of verwaarloosbaar zetapotentiaal vertonen zoals PMMA, koolstofmicrospheren, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethane, werd een initiële laag surfactans, natrium deoxycholaat (SDC), gebruikt om een negatieve oppervlaktelading op het oppervlak te induceren gevolgd door PDDA. Meervoudige afwisselende lagen van PDDA en PSS werden aangepast tot het zetapotentiaal hoger is dan +/− 40 mV voor menging om elektrostatische assemblage toe te staan. Bijvoorbeeld, om een composiet te verkrijgen dat bestaat uit koolstofmicrosfeer-Al₂O₃, werd het oppervlak van het primaire deeltje Al₂O₃ oppervlaktelading-gemodificeerd met PSS om een negatieve oppervlaktelading te induceren. Wat de secundaire koolstofmicrosferen betreft, werd een initiële coating van SDC uitgevoerd en gevolgd door PDDA om een positieve zetapotentiaal te genereren. Als het zetapotentiaal minder is dan + 40 mV, wordt afwisselende coating van PSS/PDDA uitgevoerd om een hoger en stabieler oppervlaktepotentieel voor de elektrostatische assemblage te verkrijgen. Vervolgens werden de oppervlaktelading-gemodificeerde Al₂O₃ en koolstofmicrosfeer waterige oplossingen gemengd en gerold om het elektrostatische adsorptieproces te bevorderen. Een vergelijkbare benadering werd toegepast op PMMA, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethane vóór het elektrostatische assemblageproces.

Methode, Morfologische Observatie en Meting

Een ultrasonische homogenisator (QSonica, LLC., Q 700) werd gebruikt om de geaggregeerde deeltjes in een oplossing te disperseren. Een vriesdroger (FDU-1200, Tokyo Science Instrument Co., Ltd.) werd gebruikt voor het drogen van de verkregen composietdeeltjessuspensie. De morfologieën verkregen na EA werden waargenomen met een S-4800 Veldemissie Scanning Elektronenmicroscoop (FE-SEM, Hitachi S-4800). Het zetapotentiaal werd gemeten met meetapparatuur van Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 en Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd.

Resultaten en Discussie

Figuur 4 toont de SEM-afbeeldingen van de verkregen Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltjes met de verschillende bedekkingen van 25, 50 en 75%, respectievelijk. Het kan duidelijk waargenomen worden dat de Al₂O₃ nanodeeltjes homogene verdeeld zijn over het oppervlak van het SiO₂ deeltje. Uit de SEM-afbeeldingen werd de hoeveelheid Al₂O₃ deeltjes geadsorbeerd op het oppervlak van de SiO₂ deeltjes berekend en samengevat in Tabel 1. Uit de verkregen resultaten zijn de waarden van geschatte bedekking gemeten ongeveer gelijk aan de beoogde doelbedekkingen van 25, 50 en 75%. Dit resultaat toont aan dat door gebruik te maken van deze nieuwe EA-methode, de bedekking gecontroleerd kan worden door de hoeveelheid additieve deeltjes aan te passen terwijl een heel goede homogene bedekking behouden blijft waar de secundaire Al₂O₃ deeltjes gelijkmatig verdeeld zijn op het oppervlak van het primaire SiO₂ deeltje zonder enige teken van agglomeratie of geconcentreerde plekken. In de afzonderlijke studie van reactietijd tijdens het mengen en roeren, worden de SEM-afbeeldingen van de composietdeeltjes (25% bedekking) verkregen na 5, 15 en 60 min getoond in Fig. 5. De hoeveelheid additieve deeltjes gedeponeerd op het primaire SiO₂ deeltje werd waargenomen om toe te nemen met de tijd. Het is opmerkelijk dat zelfs bij een korte meng- en roertijd van 5 min, de additieve deeltjes gelijkmatig verdeeld worden gezien op het oppervlak van SiO₂ deeltjes (niet geaggregeerd). Met verlengde meng- en roertijden van 15 en 60 min, nam de hoeveelheid gedeponeerde Al₂O₃ naar behoren toe. Na 60 min is de hoeveelheid Al₂O₃ deeltjes verkregen op SiO₂ vergelijkbaar met die verkregen in de bovengenoemde 25% distributiebedekking. Dit toont aan dat de deeltjesdepositie van de EA-methode afhankelijk is van de reactietijd (mengen en roeren). Het algehele tijdsafhankelijk gedrag van Al₂O₃ adsorptie op SiO₂ voor verschillende bedekkingsverhoudingen alsook het gemeten zetapotentiaal worden samengevat in Fig. 6. Uit Fig. 6a, om bedekking van 25% te verkrijgen, is de benodigde tijd om een depositie-plateau te bereiken 60 min terwijl die met hogere oppervlaktebedekking een verlengde tijd tot 180 min vereisen. De depositievertraging wordt veroorzaakt door de toename van Al₂O₃ deeltjessuspensie leidend tot de verhoogde Al₂O₃ adsorptie op SiO₂ wat vervolgens resulteerde in het optreden van een sterische hinder effect [5, 29]. Uit Fig. 6b kan gezien worden dat het schijnbare zetapotentiaal van Al₂O₃-SiO₂ composiet geleidelijk verschuift van negatief naar positief met toenemende additieve Al₂O₃ deeltjesbedekking. Naarmate de hoeveelheid positief geladen Al₂O₃ deeltjes geadsorbeerd op SiO₂ toeneemt, neemt het positieve zetapotentiaal van het oppervlak ook toe wat een schermingseffect genereert dat de daaropvolgende Al₂O₃ verhindert om op SiO₂ geadsorbeerd te worden en de depositievertraging veroorzaakt. De homogene verdeling van positief geladen Al₂O₃ deeltjes over het oppervlak van SiO₂ op bijna dezelfde afstand tussen elk Al₂O₃ deeltje resulteerde in de generatie van het sterische effect dat wordt geacht equivalent te zijn aan dat van het negatief geladen SiO₂ deeltje. Hierdoor resulteert dit in de bereiking van iso-elektrisch punt. In het werk gerapporteerd door Xu et al., hebben ze een bijna vergelijkbare observatie gerapporteerd waar, door de ladingdensiteit van polyelektrolyet te controleren, de membranfilm ruwheid en afstandsvariatie van het substraat alsook het belang van sterische restricties tot de ion-naar-ion afstand in polyelektrolyet pairing werden getoond [30].

SEM-afbeeldingen van de Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltjes met verschillende bedekking van a 25, b 50 en c 75%, respectievelijk

SEM-afbeeldingen van de Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltjes die gemengd en gerold werden voor a 5, b 15 en c 60 min, respectievelijk, met een vaste additieve deeltjeshoeveelheid van 25% bedekking

a Tijdsafhankelijk gedrag van Al₂O₃ adsorptie op SiO₂ deeltje voor diverse suspensie bedekkingsverhoudingen. b Zetapotentiaal van Al₂O₃-SiO₂ composietdeeltjes verkregen met varierende bedekkingspercentage. Drie onafhankelijke monsters werden voorbereid en een gemiddelde van vijf metingen werd uitgevoerd om de standaarddeviatie te verkrijgen

In de demonstratie van composietdeeltjesvorming die bestaat uit hetzelfde materiaal maar van verschillende groottes, is het ook belangrijk om het oppervlakte zetapotentiaal aan te passen door het aantal afwisselende polyelektrolyetcoatings aan te passen. Aanvullend bestand 1: Figuur S1 toont de geleidelijke toename van zetapotentiaal met het aantal afwisselende PDDA en PSS coatings. Het zetapotentiaal nam eenvoudig toe van ongeveer −30 tot −60 mV na vier lagen coating. De SEM-afbeeldingen van de SiO₂ composietdeeltjes worden getoond in Fig. 7, die een uitstekende distributie van sub-micro SiO₂ deeltjes op een 16-µm SiO₂ deeltje tonen. In Fig. 7a worden sub-microgrote SiO₂ deeltjes van ongeveer 1 µm homogeen verdeeld gezien over het oppervlak van een 16 µm SiO₂ deeltje terwijl in Fig. 7b grotere SiO₂ microspheren van ongeveer 4 µm op een vergelijkbare manier goed verdeeld worden gezien. Dit toont aan dat door de sterkte van de oppervlaktelading aan te passen, grotere additieve deeltjes ook gebruikt kunnen worden voor de fabricatie van composietmaterialen via de EA-methode. Om de haalbaarheid en toepasbaarheid van deze nieuwe methode verder te demonstreren, werden diverse materialen zoals Al₂O₃, PMMA, CNT, BN, koolstofvezel, SiC en urethane met diverse vormen zoals vezel, whisker en onregelmatige schuimstructuur gebruikt voor de vorming van composiet. De morfologieën van de verkregen composieten worden getoond in Fig. 8 wat homogene decoratie van gewenste additieve deeltjes op diverse primaire deeltjes en frameworks via de EA-methode aangeeft. In Fig. 8a–c wordt de decoratie van verschillende structuren zoals koolstofmicrospheren, hoge aspectratio CNT en BN-nanovellen op verschillende materialen die bestaan uit Al₂O₃, PMMA en SiO₂ microsfeer respectievelijk getoond. Aan de andere kant werd de homogene decoratie van SiO₂ en Al₂O₃ nanodeeltjes op niet-sferische en onregelmatige structuren gedemonstreerd op koolstofvezel, SiC-whisker en urethane schuim, zoals getoond in Fig. 8d–f respectievelijk. Daarom heeft dit unieke werk een nieuwe techniek van gecontroleerde micro- en nano-assemblage gedemonstreerd die een enorm potentieel heeft voor materiaalontwerp wat diverse materialen als morfologische dimensies dekt wat invloedrijke impact kan bieden naar de ontwikkeling en ontwerp van composietmaterialen voor precisiefabricatietechnologieën. De beperkingen van de EA-methode zijn voorvereiste waterige bereiding van materiaal dat een dichtheid hoger heeft dan water (1 g/cm³), de moeilijkheid in grootschalige productie, en de vereiste van meervoudige keren reinigen om de overmatige polyelektrolyten uit de oplossing te verwijderen. Echter, vanuit dit project is een geavanceerd grootschalige voorlopers oppervlaktelading-modificerend systeem ontwikkeld voor een opschaalproductie van geavanceerde materiaal nano-assemblage met een aangepaste apparatuur met real-time monitoring. Deze apparatuur stelt de controle en wijziging van oppervlaktelading zetapotentiaal (positief/negatief) van een groot volume waterige oplossing (ongeveer 10 l) met de aangewezen startende voorlopermaterialen in staat. Na het bereiken van het gewenste zetapotentiaal, worden de oppervlaktelading-gemodificeerde startmaterialen gemengd om de daaropvolgende elektrostatische adsorptie te bevorderen om het gewenste composietmateriaal te genereren.

SEM-afbeeldingen van de SiO₂ composietdeeltjes die bestaan uit a 1-µm SiO₂ deeltjes en b 4-µm SiO₂ deeltjes gedecoreerd op een 16-µm SiO₂ deeltje door EA-methode die homogene distributie demonstreerde

SEM-afbeeldingen van de nano en micro-geassembleerde composieten verkregen door EA-methode. a koolstofmicrosferen-Al₂O₃, b CNT-PMMA, c BN-SiO₂, d SiO₂-koolstofvezel, e Al₂O₃-SiC whisker, en f Al₂O₃-urethane schuim

Met behulp van de EA-methode gerapporteerd in dit werk, zijn diverse composietmaterialen geproduceerd en gerapporteerd door onze groep voor toepassingen zoals gecontroleerde mechanische eigenschappen van alumina-gebaseerd koolstofcomposiet [24], snelle kamertemperatuursvorming van composietkeramische films door aerosoldepositie [25], gecontroleerde IR-lichtschermende eigenschap van PMMA-ITO polymere composiet [21], en herlaadbare Fe-luchtbatterij [20]. In een recent werk betreffende de fabricatie van PMMA polymere matrix composiet met ITO-nanodeeltjes, is een PMMA-ITO composiet pellet gerapporteerd die een goede transparantie in het zichtbare lichtgebied demonstreerde terwijl het de IR-lichtschermende effect kon controleren door de hoeveelheid ITO-nanodeeltjes incorporatie te controleren [21]. Daarom, naast anorganische materialen, toont dit aan dat de elektrostatische assemblagemethode ook toegepast kan worden voor polymere materialen.

Conclusies

De haalbaarheid om de additieve deeltjesbedekking op een primair deeltje in een composietfabricatie te controleren wordt in dit nieuwe werk gedemonstreerd. Het fundamentele experimentele werk werd uitgevoerd door decoratie van Al₂O₃ nanodeeltjes op SiO₂ microsferen als functie van oppervlaktebedekking en reactietijd. Gecontroleerde decoratie met oppervlaktebedekkingen van 25, 50 en 75% werden ook gedemonstreerd door de hoeveelheid additief en EA-tijd aan te passen. Naar de vooruitgang van nanoschaalmateriaalontwerp, hebben we ook de haalbaarheid gedemonstreerd om micro- en nano-assemblage van deeltjescomposieten op een breed scala aan materialen met diverse morfologische structuren bij kamertemperatuur met behulp van een EA-methode te bereiken. Een superieure homogeniteit met controleerbare oppervlaktebedekking wordt ook in dit nieuwe werk gedemonstreerd. De mogelijke toepassingen van de gefabriceerde composietmaterialen met behulp van de EA-methode zijn selectieve lasersintering, aerosoldepositie van composietkeramische films, IR-schermende materialen en herlaadbare metaal-luchtbatterij. De systematische bevindingen van dit werk kunnen een platform leggen voor nanoschaalmateriaalontwerp naar meer geavanceerde nanofabricatie in de toekomst.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel [en de bijbehorende supplementaire informatiebestanden].