Mikro- und Nanoanordnung von Verbundpartikeln durch elektrostatische Adsorption

Einführung

In der heutigen nanoskaligen Gesellschaft waren das Design und die Herstellung von Nanoarchitekturen noch nie so wichtig wie nie zuvor und haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Bottom-up-Anordnungen wie selbstorganisierte Monoschichten und eine Schicht-für-Schicht-(LbL-)Anordnungstechnik unter Verwendung elektronischer Adsorption haben bei Forschern großes Interesse geweckt [1,2,3]. Dies hat zu einem neuen Konzept namens Nanoarchitektur geführt, bei dem eine Integration von Hybridpolymer und anorganischer Nanoarchitektur für das morphologische Design im Nanomaßstab verwendet wird [4]. Seit der Entdeckung durch Decher et al. betrafen die meisten der berichteten Arbeiten die Bildung einer oder mehrerer Schichten von Filmen (Beschichtungen) auf den Oberflächen und konzentrierten sich auf das molekulare Engineering der Oberfläche [5, 6], konjugierte Polymere, Biokomponenten, Graphen , und Fulleren [7]. Die LbL-Methode hat ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien eröffnet, die ein präzises Design erfordern, wie beispielsweise Kern-Schalen für die Wirkstoffabgabe und photonische Kristalle sowie selektive funktionelle Moleküle [8, 9]. Über eine kontrollierte Anordnung von Mikro- und Nanopartikeln unter Verwendung einer elektrostatischen Adsorptionstechnik wird jedoch selten berichtet [10]. Moet al. demonstrierten den Aufbau von hohlen Halbkugeln auf ZnO-Nanostäbchenbasis durch hydrothermale Thermolyse einer Zn-Vorstufe in Gegenwart von 2 g langkettigem Polymer mit einer großen Seitengruppe, Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (PSS) [11]. Sie erwähnten, dass das Vorhandensein einer wasserlöslichen langen Kette mit einer großen Seitengruppe entscheidend für die Bildung der einzigartigen zusammengesetzten Struktur aus hohlen Halbkugeln ist. Die lange Kette soll die Clusterbildung von sekundären kolloidalen Partikeln fördern, die zu einer anschließenden räumlich begrenzten Kristallisation und Auflösung führen würden. Mit dem ähnlichen Konzept wird auch gezeigt, dass es möglich ist, dreidimensionale Polymerhüllen unter Verwendung von Kernen herzustellen, die aus löslichen kolloidalen Templaten bestehen, von Decher [12, 13] und Caruso et al. [14]. Ihre Arbeiten haben den Grundstein für mehr Materialdesign mit der EA-Methode gelegt. Es wird auch berichtet, dass die Größe und Dichte der Nanostrukturen eines Materials, die während des Bioengineerings aufgebracht werden, gezielt die gewünschten biologischen Eigenschaften induzieren könnte [15, 16]. Visalakshanet al. haben über eine vielseitige und skalierbare kontrollierte Bildung von kovalent gebundenen Au-Partikeln auf einer plasmaabgeschiedenen Polymethlyoxazolin-Zwischenschicht mit einer wohldefinierten Nanotopographie berichtet, die auf biomaterialtechnische Technologien angewendet werden könnte [15]. In einer anderen von Li et al. berichteten Arbeit haben sie die Möglichkeit gezeigt, bifunktionelle Mikrokügelchen zu erhalten, die aus Fe₂ . bestanden O₃ (Kern) und SiO₂ (Schale) mit an der Oberfläche adsorbierten Au-Nanopartikeln durch Wechselwirkung mit Polyethylenimin über die LbL-Methode. Der bifunktionelle Hybridverbundstoff zeigte eine hervorragende katalytische Leistung bei der organischen und anorganischen Reduktion und besaß gleichzeitig superparamagnetische Eigenschaften, die eine effiziente Trennung unter Verwendung eines Magnetfelds ermöglichten [17]. Die oben genannten Arbeiten haben die Bedeutung der Mikro- und Nanoanordnung für die Erzeugung gewünschter Eigenschaften für verschiedene fortgeschrittene funktionelle Anwendungen weiter betont. Mit Blick auf die großtechnische Herstellung berichteten Hueckel und Sacanna über eine Mix-and-Melt-Reaktionsmethode, die eine schnelle Massenproduktion anisotroper Kern-Schale-Kolloide durch elektrostatische Selbstorganisation ermöglicht [18]. Bei der LbL-Methode bleiben trotz der möglichen Anwendung ungeladener Partikel/Kolloide die geladenen immer noch die gebräuchlichste Methode durch den Aufbau von mehrschichtigen Polyelektrolyten [19]. Abgesehen von der Polyelektrolytnutzung kann das Zetapotential auch durch pH-Einstellung gesteuert werden, abhängig vom in der Kompositformation verwendeten Material [20, 21]. Die sequentielle Aufbringung von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten könnte die Oberflächenladungsstärke sowie die Stabilität der Polyelektrolytbeschichtungen erhöhen, die mittels Zeta-Potential-Messung bestimmt werden können [13, 22]. Wenn das Zeta-Potential eines oberflächenladungsmodifizierten Partikels äquivalent oder größer als +/– 40 mV ist, wird berichtet, dass es ausreichend ist, um eine gute stabile elektrostatische Wechselwirkung zu erhalten, um eine Agglomeration zu vermeiden und in kolloidaler Form zu bleiben [21, 23]. Trotz der Weiterentwicklung und Entwicklung der LbL-Methode wird trotz ihres enormen Potenzials nur selten über ihre Verwendung für das Design von Materialien und Verbundwerkstoffen berichtet. Daher haben wir in dieser Arbeit nicht nur eine einfachere und überlegene Methode gezeigt, um mit der EA-Methode eine homogene Materialmischung zu erhalten, sondern haben auch die Machbarkeit eines Verbundwerkstoffdesigns erkannt, das die Grenzen zwischen Materialien und Form überschreitet. Das Potenzial des EA-Verfahrens wurde weiter ausgebaut, indem die Machbarkeit dieses Verfahrens zur Dekoration gewünschter Additive auf unregelmäßig strukturierten Materialien wie Urethanschaum, flächigem Bornitrid (BN) und stabförmig strukturierten Materialien demonstriert wurde. Bei herkömmlichen Mischverfahren wie dem mechanischen Mahlen ist es häufig der Fall, dass die Struktur des Vorläufers aufgrund des Aufpralls flüchtiger Stoffe und der Wärmeerzeugung entweder degeneriert oder verändert wird. Darüber hinaus kommt es auch zu einer Agglomeration der Mischung, die sich dann auf die endgültigen Eigenschaften der Verbundmaterialien auswirkt [21, 24, 25]. Um dieses Problem zu lösen, ist eine Methode für das präzise nanoskalige Design von Materialien unverzichtbar, um eine fortschrittliche Präzisionsfertigung voranzutreiben. Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung, die den Vergleich der Mikrostrukturen zeigt, die über ein konventionelles mechanisches Fräsverfahren mit dem Auftreten von Aggregationen im Vergleich zu einer neuartigen homogenen Dekoration von Verbundmaterialien über das EA-Verfahren erhalten werden könnten. Mit den homogen dekorierten Verbundwerkstoffen konnte eine gut verteilte Mikrostruktur erzielt werden, um aus einem funktionellen Verbundwerkstoff die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit wurde eine homogene Dekoration von Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Nanopartikeln auf der Oberfläche von Poly(methylmethacrylat) (PMMA) mit der EA-Methode demonstriert. Die erhaltenen ITO-PMMA-Kompositpulver wurden dann verwendet, um ein Pellet mit guter Transparenz im sichtbaren Lichtbereich und kontrollierbarem IR-Lichtabschirmeffekt herzustellen [21]. Daher ist ein klarer Überblick über die EA-Methode für die Mikro- und Nanomontage unerlässlich, um die Durchführbarkeit und das Potenzial dieser Technik für das Materialdesign hervorzuheben. Das Grundprinzip dieser neuartigen Arbeit ist in Abb. 2 veranschaulicht, wo die Kontrolle der Oberflächenladung unter Verwendung von Polyelektrolyten (Polykation und Polyanion) durchgeführt wird, um eine homogene Dekoration der gewünschten Additivpartikel auf dem Primär-/Mutterpartikel zu ermöglichen. Durch Ausnutzung der Anziehungskraft konnten unabhängig von der strukturellen Komplexität Nanokomposite mit signifikanter Homogenität erzielt werden. Der Erhalt der primären und sekundären Nanostrukturen wie Nanofasern und Nanostäbchen konnte im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Mahlverfahren erreicht werden, die ihre ursprüngliche morphologische Struktur zerstören würden. Hinsichtlich der Herstellungskosten ist die EA-Methode auch eine kostengünstigere Methode. Freymannet al. betonten auch, dass die EA-Methode eine ausgezeichnete Bottom-up-Montagemethode für die Herstellung photonischer Kristalle ist, im Gegensatz zu den extrem teuren Top-down-Ansätzen [8]. Die in dieser neuartigen Arbeit demonstrierte Machbarkeit des nanoarchitektonischen Verbunddesigns könnte aufgrund seiner Kostenwettbewerbsfähigkeit und Einfachheit eine nützliche Plattform für verschiedene Anwendungen sein. Die Bildung bei Raumtemperatur und die überlegene Homogenität dieser Methode bieten erhebliche Vorteile für präzise pulverbasierte Fertigungstechnologien wie Aerosolabscheidung [25], keramische 3D-Drucktechnologie und Lasersintern für die additive Fertigung [26, 27]. Die Anwendbarkeit dieser EA-Methode für nützliche praktische Anwendungen wird auch in unserer kürzlich veröffentlichten Arbeit zur IR-Lichtabschirmung [21], zur Kontrolle der mechanischen Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Aluminiumoxid-Verbundstoffen [24] und einer wiederaufladbaren Fe-Luft-Batterie [20] demonstriert.

Vergleich der mit a obtained erhaltenen Mikrostrukturen konventionelles mechanisches Fräsverfahren und b neuartige elektrostatische Adsorptionstechnik zur Herstellung von Verbundwerkstoffen

Schema der Anpassung der elektrostatischen Oberflächenladung mithilfe von Polykation und Polyanion für das Verbundpartikel der Formation

Experimentelle Verfahren

Bildung von Al₂ O₃ -SiO₂ Zusammengesetzte Partikel

Die Experimente wurden mit kommerziell erhältlichem monodispersen kugelförmigen SiO₂ . durchgeführt Partikel (durchschnittlicher Partikeldurchmesser 8,8 μm, Ube EXSYMO) und Aluminiumoxid (Al₂ O₃ ) Partikel (durchschnittliche Partikelgröße 100 nm, Taimei Chemical Co., Ltd.). Das verwendete Polykation und Polyanion waren Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDDA) (mittleres Molekulargewicht 100.000 bis 200.000, Sigma-Aldrich) bzw. Polynatriumstyrolsulfonat (PSS) (mittleres Molekulargewicht 70.000, Sigma-Aldrich). Das primäre SiO₂ Partikel wurden in der Reihenfolge PDDA, PSS, PDDA und PSS in die Polyelektrolyte eingetaucht, um eine negative Oberflächenladung zu induzieren. Was das Al₂ . betrifft O₃ Partikel wurde die Oberflächenladung durch Eintauchen in PSS und PDDA hergestellt, um eine positive Oberflächenladung zu erhalten. Das Oberflächen-Zeta-Potential wurde durch repetitive Mehrschichtbeschichtung durch den LbL-Prozess kontrolliert [12, 13, 28]. Schließlich die Suspension von SiO₂ und Al₂ O₃ Partikel mit entgegengesetztem Zetapotential wurden miteinander vermischt. Der pH-Wert der hergestellten Lösung lag im Bereich von 7–8 (neutral). Bei Zugabe von PDDA oder PSS zu einer wässrigen Lösung änderte sich der pH-Wert der Lösung auf ungefähr 5,5 bzw. 6,8. Nach der Zugabe von PDDA und PSS wurden die Lösungen dann gewaschen und mehrmals (bis zu viermal) gespült, um überschüssiges PDDA und PSS aus der Lösung zu entfernen. Nach dem Waschen und Spülen kehrte der pH-Wert auf einen ursprünglichen pH-Wert von ungefähr 7–8 zurück. Obwohl die erhaltene Suspension mehrere Tage stabil war, wurden sie einige Stunden nach der Herstellung für den elektrostatischen Aufbau verwendet. Kleinere elektrostatisch geladene Partikel (sekundär) wurden von den größeren Partikeln (primär) angezogen und daran befestigt, wodurch die Nano-/Mikroverbundpartikel gebildet wurden. Das Schema des gesamten Herstellungsprozesses des Al₂ O₃ -SiO₂ Verbundpartikel ist in Abb. 3 dargestellt. Das Al₂ O₃ und SiO₂ Kompositpartikel wurden gemischt und bis zu 180 min gerührt, um eine vollständige Adsorption zu ermöglichen. Bei der Untersuchung der Bedeckungskontrolle wurde die Menge der Partikeladsorption angepasst, indem das Mischungsverhältnis der Vorläufer unter Verwendung der folgenden Formel geändert wurde:

Schema einer Al₂ O₃ -SiO₂ Bildung von Verbundpartikeln nach dem schichtweisen Beschichtungsprozess von PDDA und PSS

W _a ist die hinzugefügte Partikelmenge (g), C ist der Bedeckungsgrad der Sekundärpartikel auf den Primärpartikeln (C = S _a /S _m ; S _a ist die Querschnittsfläche [m ² ] der Additivpartikel während S _m ist die Oberfläche der Primärpartikel [m ² ]), V _a ist das Volumen eines Additivpartikels [m ³ ], ρ _a ist die Dichte der Additivpartikel [g/m ³ ], W _m ist die Menge der Primärpartikel [g], ρ _m ist die Dichte der Primärpartikel [g/m ³ ] und V _m ist das Volumen eines Primärteilchens [m ³ ]. In dieser Studie wurde die Menge an Additivpartikeln auf 25, 50 und 75 % Oberflächenbedeckung einer konstanten Menge an primärem SiO₂ . eingestellt Partikel. Die Abdeckungsschätzung des Al₂ O₃ -SiO₂ Das erhaltene Komposit wurde ebenfalls aus den SEM-Bildern berechnet und in Tabelle 1 tabellarisch dargestellt. In einer anderen Studie über die Wirkung der Abscheidungszeit während des Reaktionsprozesses wurde die Dauer für Al₂ O₃ und SiO₂ Die Bildung von Kompositpartikeln wurde in Intervallen von 5, 15 und 60 min mit einer konstanten Bedeckung von 25 % untersucht.

Bildung von SiO₂ -SiO₂ Verbundpartikel mit Größenkontrolle

In dieser Untersuchung wurde SiO₂ mit Partikelgrößen von 1, 4 und 16 µm (Ube EXYMO) verwendet. Wie für das primäre 16-μm-SiO₂ Partikeln wurde eine LbL-Beschichtung aus PDDA/PSS/PDDA/PSS durchgeführt, während für die sekundären kleineren 1- und 4-μm-SiO₂ Partikel wurde eine LbL-Beschichtung von PDDA/PSS/PDDA durchgeführt. Die Suspensionen wurden dann gemischt und entsprechend gerührt.

Bildung verschiedener zusammengesetzter Kombinationen mit der EA-Methode

Um die Machbarkeit und Flexibilität dieses neuartigen Verfahrens im Verbunddesign mit verschiedenen Materialien und Formen weiter zu demonstrieren, wurden Materialien wie Al₂ O₃ , Polymethylmethacrylat (PMMA), Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), Bornitrid (BN), Kohlenstofffasern und Siliziumkarbid (SiC) in der Strukturform von Faser, Whisker, Nanoblatt und einer unregelmäßigen schaumartigen Struktur wurden verwendet, um zu bilden die Komposite über die EA-Methode. Je nach Material unterscheidet sich die Oberflächenladungsmodifikation. Für Al₂ O₃ und SiO₂ die eine positive bzw. negative Oberflächenladung besitzen, wurden PSS und PDDA verwendet, um die entgegengesetzte Ladung zu induzieren, bis das Zetapotential vor der elektrostatischen Anordnung höher als +/− 40 mV ist. Für Materialien mit niedrigem oder vernachlässigbarem Zetapotential wie PMMA, Kohlenstoffmikrokugeln, CNT, BN, Kohlenstofffasern, SiC und Urethan, wurde eine erste Tensidschicht, Natriumdesoxycholat (SDC), verwendet, um eine negative Oberflächenladung zu induzieren an der Oberfläche gefolgt von PDDA. Mehrere alternierende Schichten von PDDA und PSS wurden eingestellt, bis das Zetapotential vor dem Mischen höher als +/- 40 mV ist, um eine elektrostatische Anordnung zu ermöglichen. Um beispielsweise einen Verbundwerkstoff zu erhalten, der aus Kohlenstoff-Mikrokügelchen-Al₂ . besteht O₃ , die Oberfläche des Primärpartikels Al₂ O₃ wurde mit PSS oberflächengeladen modifiziert, um eine negative Oberflächenladung zu induzieren. Was die sekundären Kohlenstoff-Mikrokügelchen betrifft, wurde eine anfängliche Beschichtung mit SDC durchgeführt, gefolgt von PDDA, um ein positives Zeta-Oberflächenpotential zu erzeugen. Wenn das Zeta-Potential weniger als + 40 mV beträgt, wird eine alternierende Beschichtung mit PSS/PDDA durchgeführt, um ein höheres und stabileres Oberflächenpotential für die elektrostatische Anordnung zu erhalten. Dann wird das oberflächengeladene modifizierte Al₂ O₃ und eine wässrige Lösung von Kohlenstoffmikrokügelchen wurden gemischt und gerührt, um den elektrostatischen Adsorptionsprozess zu fördern. Ein ähnlicher Ansatz wurde vor dem elektrostatischen Montageprozess auf PMMA, CNT, BN, Kohlefaser, SiC und Urethan angewendet.

Methode, morphologische Beobachtung und Messung

Ein Ultraschallhomogenisator (QSonica, LLC., Q 700) wurde verwendet, um die agglomerierten Partikel in einer Lösung zu dispergieren. Ein Gefriertrockner (FDU-1200, Tokyo Science Instrument Co., Ltd.) wurde zum Trocknen der erhaltenen Verbundteilchensuspension verwendet. Die nach EA erhaltenen Morphologien wurden unter Verwendung eines S-4800-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM, Hitachi S-4800) beobachtet. Das Zetapotential wurde mit Messgeräten von Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 und Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd. gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 4 zeigt die SEM-Bilder des erhaltenen Al₂ . O₃ -SiO₂ Kompositpartikel mit unterschiedlichen Bedeckungen von 25, 50 bzw. 75 %. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Al₂ O₃ Nanopartikel werden homogen über die Oberfläche des SiO₂ . verteilt Partikel. Aus den REM-Bildern die Menge an Al₂ O₃ an der Oberfläche des SiO₂ . adsorbierte Partikel Partikel wurde berechnet und ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Aus den erhaltenen Ergebnissen sind die Werte der geschätzten gemessenen Bedeckung ungefähr den beabsichtigten Zielbedeckungen von 25, 50 und 75 %. Dieses Ergebnis zeigt, dass durch die Verwendung dieses neuartigen EA-Verfahrens die Bedeckung durch Einstellen der Menge an Additivpartikeln kontrolliert werden konnte, während eine sehr gute homogene Bedeckung aufrechterhalten wird, bei der das sekundäre Al₂ O₃ Partikel werden gleichmäßig auf der Oberfläche von primärem SiO₂ . verteilt Partikel ohne Anzeichen von Agglomeration oder konzentrierten Flecken. In der separaten Untersuchung der Reaktionszeit während des Mischens und Rührens sind die nach 5, 15 und 60 min erhaltenen SEM-Bilder der Kompositpartikel (25 % Bedeckung) in Abb. 5 gezeigt SiO₂ Es wurde beobachtet, dass die Partikel mit der Zeit zunahmen. Es ist bemerkenswert, dass selbst bei einer kurzen Misch- und Rührzeit von 5 min die Additivpartikel gleichmäßig auf der Oberfläche von SiO₂ . verteilt sind Partikel (nicht agglomeriert). Bei verlängerten Misch- und Rührzeiten von 15 und 60 min wird die Menge an abgeschiedenem Al₂ O₃ entsprechend erhöht. Nach 60 min ist die Menge an Al₂ O₃ Partikel erhalten auf SiO₂ ist ähnlich wie bei der oben erwähnten 25%igen Verteilungsabdeckung. Dies zeigt, dass die Partikelabscheidung des EA-Verfahrens von der Reaktionszeit (Mischen und Rühren) abhängt. Das gesamte Zeitabhängigkeitsverhalten von Al₂ O₃ Adsorption an SiO₂ für unterschiedliche Bedeckungsverhältnisse sowie das gemessene Zeta-Potential sind in Abb. 6 zusammengefasst. Aus Abb. 6a ergibt sich für eine Bedeckung von 25 % eine Zeit von 60 Minuten, um ein Abscheidungsplateau zu erreichen, während diejenigen mit einer höheren Oberflächenbedeckung erforderlich sind eine längere Zeit bis zu 180 min. Die Abscheidungsverzögerung wird durch den Anstieg von Al₂ . verursacht O₃ Partikelsuspension, die zu erhöhtem Al₂ . führt O₃ Adsorption an SiO₂ die anschließend zum Auftreten eines sterischen Hinderungseffekts führten [5, 29]. Aus Abb. 6b ist ersichtlich, dass das scheinbare Zetapotential von Al₂ O₃ -SiO₂ Komposit allmählich von negativ zu positiv verschoben mit zunehmendem Additiv Al₂ O₃ Partikelabdeckung. Als Menge an positiv geladenem Al₂ O₃ Partikel adsorbiert an SiO₂ erhöht, das positive Zetapotential der Oberfläche auch erhöht, was einen Abschirmeffekt erzeugt, der das nachfolgende Al₂ . verhindert O₃ an SiO₂ . adsorbiert werden und verursacht die Ablagerungsverzögerung. Die homogene Verteilung von positiv geladenem Al₂ O₃ Partikel auf der Oberfläche von SiO₂ im fast gleichen Abstand zwischen jedem Al₂ O₃ Partikel führte zur Erzeugung des sterischen Effekts, von dem angenommen wird, dass er dem des negativ geladenen SiO₂ . entspricht Partikel. Daher führt dies zum Erreichen eines isoelektrischen Punktes. In der Arbeit von Xu et al. berichteten sie über eine fast ähnliche Beobachtung, bei der durch Kontrolle der Ladungsdichte des Polyelektrolyten die Rauigkeit des Membranfilms und die Abstandsvariation vom Substrat sowie die Bedeutung sterischer Beschränkungen für das Ion zum Ion Abstände in der Polyelektrolytpaarung wurden gezeigt [30].

REM-Aufnahmen des Al₂ O₃ -SiO₂ Kompositpartikel mit unterschiedlicher Bedeckung von a 25, b 50 und c 75% bzw.

REM-Aufnahmen des Al₂ O₃ -SiO₂ Kompositpartikel, die für a . gemischt und gerührt wurden 5, b 15 und c 60 min bzw. mit einer festen Additivpartikelmenge von 25 % Bedeckung

a Zeitabhängiges Verhalten von Al₂ O₃ Adsorption an SiO₂ Partikel für verschiedene Suspensionsabdeckungsverhältnisse. b Zetapotential von Al₂ O₃ -SiO₂ zusammengesetzte Partikel, die unter Verwendung unterschiedlicher Abdeckungsprozentsätze erhalten wurden. Es wurden drei unabhängige Proben vorbereitet und ein Durchschnitt von fünf Messungen durchgeführt, um die Standardabweichung zu erhalten

Bei der Demonstration der Bildung von Verbundpartikeln, die aus demselben Material, aber unterschiedlichen Größen bestehen, ist es auch wichtig, das Oberflächen-Zeta-Potential durch Einstellen der Anzahl der abwechselnden Polyelektrolytbeschichtungen einzustellen. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 zeigt den allmählichen Anstieg des Zetapotentials mit der Anzahl der abwechselnden PDDA- und PSS-Beschichtungen. Das Zeta-Potential erhöhte sich nach vier Beschichtungsschichten von etwa – 30 auf – 60 mV um ein Vielfaches. Die REM-Bilder des SiO₂ Verbundpartikel sind in Abb. 7 dargestellt, die eine ausgezeichnete Verteilung von Submikro-SiO₂ . zeigen Partikel auf einem 16-μm-SiO₂ Partikel. In Abb. 7a, submikrogroßes SiO₂ Partikel von ca. 1 µm sind homogen über die Oberfläche eines 16 µm SiO₂ . verteilt Partikel, während in Abb. 7b größeres SiO₂ Mikropartikel von ungefähr 4 µm sind in ähnlicher Weise gut verteilt. Dies zeigt, dass durch Anpassung der Stärke der Oberflächenladung auch größere Additivpartikel für die Herstellung von Verbundwerkstoffen über das EA-Verfahren genutzt werden könnten. Um die Machbarkeit und Anwendbarkeit dieses neuartigen Verfahrens weiter zu demonstrieren, wurden verschiedene Materialien wie Al₂ O₃ , PMMA, CNT, BN, Kohlefaser, SiC und Urethan mit verschiedenen Formen wie Fasern sowie Whisker und unregelmäßig strukturiertem Schaum wurden für die Bildung von Verbundwerkstoffen verwendet. Die Morphologien der erhaltenen Komposite sind in Abb. 8 dargestellt, was eine homogene Dekoration der gewünschten Additivpartikel auf verschiedenen Primärpartikeln und Gerüsten über das EA-Verfahren anzeigt. In Abb. 8a–c die Dekoration verschiedener Strukturen wie Kohlenstoffmikrokugeln, CNT mit hohem Aspektverhältnis und BN-Nanoblätter auf verschiedenen Materialien, die aus Al₂ . bestehen O₃ , PMMA und SiO₂ Mikrokügelchen sind jeweils gezeigt. Andererseits ist die homogene Dekoration von SiO₂ und Al₂ O₃ Nanopartikel auf nichtsphärischen und unregelmäßigen Strukturen wurden auf Kohlefaser, SiC-Whisker und Urethanschaum gezeigt, wie in Abb. 8d–f jeweils gezeigt. Daher hat diese einzigartige Arbeit eine neuartige Technik der kontrollierten Mikro- und Nanomontage demonstriert, die ein enormes Potenzial für das Materialdesign hat, das verschiedene Materialien sowie morphologische Dimensionen abdeckt und einen Einfluss auf die Entwicklung und das Design von Verbundwerkstoffen für die Präzisionsfertigung haben könnte Technologien. Die Einschränkungen der EA-Methode sind die Voraussetzung für die wässrige Zubereitung von Material mit einer höheren Dichte als Wasser (1 g/cm ³ ), die Schwierigkeit bei der Produktion im großen Maßstab und die Notwendigkeit einer mehrmaligen Reinigung, um die überschüssigen Polyelektrolyte aus der Lösung zu entfernen. Im Rahmen dieses Projekts wurde jedoch ein fortschrittliches Oberflächenladungsmodifizierungssystem für Vorläufer im großen Maßstab für eine Scale-up-Produktion fortschrittlicher Material-Nanobaugruppen unter Verwendung einer kundenspezifischen Ausrüstung mit Echtzeitüberwachung entwickelt. Diese Ausrüstung ermöglicht die Kontrolle und Änderung des Oberflächenladungs-Zeta-Potentials (positiv/negativ) einer großvolumigen wässrigen Lösung (ungefähr 10 &mgr;l), die die angegebenen Ausgangsvorläufermaterialien enthält. Nach Erreichen des gewünschten Zeta-Potentials werden die oberflächengeladenen modifizierten Ausgangsmaterialien gemischt, um die anschließende elektrostatische Adsorption zu fördern, um das gewünschte Verbundmaterial zu erzeugen.

REM-Aufnahmen des SiO₂ zusammengesetzte Partikel, die aus a . bestehen 1-μm-SiO₂ Partikel und b 4-μm-SiO₂ Partikel, die auf einem 16-μm-SiO₂ . dekoriert sind Partikel nach der EA-Methode, die eine homogene Verteilung zeigte

REM-Bilder der nano- und mikroassemblierten Komposite, die mit der EA-Methode erhalten wurden. a Kohlenstoff-Mikrokugeln-Al₂ O₃ , b CNT-PMMA, c BN-SiO₂ , d SiO₂ -Kohlefaser, e Al₂ O₃ -SiC-Whisker und f Al₂ O₃ -Urethanschaum

Unter Verwendung der in dieser Arbeit beschriebenen EA-Methode wurden verschiedene Verbundmaterialien hergestellt und von unserer Gruppe für Anwendungen wie kontrollierte mechanische Eigenschaften von Kohlenstoffverbundwerkstoffen auf Aluminiumoxidbasis [24], schnelle Bildung von Verbundkeramikfilmen bei Raumtemperatur durch Aerosolabscheidung beschrieben [25 ], kontrollierte IR-Lichtabschirmungseigenschaft von PMMA-ITO-Polymerverbundstoff [21] und wiederaufladbare Fe-Luft-Batterie [20]. In einer neueren Arbeit, die die Herstellung von PMMA-Polymermatrix-Komposit mit ITO-Nanopartikeln umfasste, hat ein PMMA-ITO-Komposit-Pellet, das eine gute Transparenz im Bereich des sichtbaren Lichts zeigte und gleichzeitig die Kontrolle des IR-Lichtabschirmungseffekts durch Kontrolle der Menge des Einbaus von ITO-Nanopartikeln ermöglichte berichtet worden [21]. Daher zeigt dies, dass das elektrostatische Montageverfahren neben anorganischen Materialien auch für Polymermaterialien angewendet werden kann.

Schlussfolgerungen

Die Möglichkeit, die Bedeckung eines Primärpartikels mit Additivpartikeln in einer Verbundstoffherstellung zu steuern, wird in dieser neuartigen Arbeit demonstriert. Die grundlegenden experimentellen Arbeiten wurden durch Dekoration von Al₂ . durchgeführt O₃ Nanopartikel auf SiO₂ Mikropartikel als Funktion der Oberflächenbedeckung und Reaktionszeit. Kontrolldekorationen mit Oberflächenbedeckungen von 25, 50 und 75 % wurden auch durch Anpassen der Additivmenge und der EA-Zeit demonstriert. Im Hinblick auf die Weiterentwicklung des nanoskaligen Materialdesigns haben wir auch die Möglichkeit gezeigt, mit einer EA-Methode bei Raumtemperatur eine Mikro- und Nanoanordnung von Partikelkompositen auf einer Vielzahl von Materialien mit verschiedenen morphologischen Strukturen zu erreichen. Eine überlegene Homogenität mit kontrollierbarer Oberflächenbelegung wird auch in dieser neuen Arbeit demonstriert. Die möglichen Anwendungen der mit der EA-Methode hergestellten Verbundmaterialien sind selektives Lasersintern, Aerosolabscheidung von Verbundkeramikfilmen, IR-abschirmende Materialien und wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien. Die systematischen Ergebnisse dieser Arbeit könnten eine Plattform für das nanoskalige Materialdesign in Richtung einer ausgeklügelteren Nanofabrikation in der Zukunft bilden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

Abkürzungen

BN:

Bornitrid

CNT:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

EA:

Elektrostatische Adsorption

PDDA:

Polydiallyldimethylammoniumchlorid

PMMA:

Polymethylmethacrylat

PSS:

Polynatriumstyrolsulfonat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

SiC:

Siliziumkarbid