开发基于纳米粒子的抗裂乳胶膜
塑料和橡胶等合成高分子材料在我们的日常生活中已经无处不在。因此，确保它们的安全、耐用和可持续至关重要。对于广泛用于包装、生物医学和电子产品的合成乳胶薄膜来说尤其如此。
但合成乳胶膜到底是什么?简而言之，它们是一种基于纳米颗粒的薄膜，是通过干燥聚合物纳米颗粒和水的混合物而制成的。随着溶剂蒸发，纳米颗粒变得更加堆积，直到最终纳米颗粒边界处的聚合物链之间的相互作用形成连贯的薄膜。不幸的是，用这种方法生产的乳胶膜很脆弱。在大多数情况下，必须将有机溶剂和填料添加到初始混合物中以提高最终产品的机械性能。这些添加剂不仅价格昂贵，而且对环境有害。
幸运的是，由信州大学铃木大辅副教授领导的日本研究小组最近开发了一种创新方法，可以在不使用此类添加剂的情况下生产坚韧且抗裂的弹性纳米颗粒乳胶膜。他们的研究成果于 2023 年 6 月 16 日在线发布，并于 2023 年7 月 4 日发表在Langmuir期刊第 39 卷第 26 期上，其中包括信州大学的 Yuma Sasaki 和广岛大学的 Toshikazu Takata 教授的贡献。
他们的方法的关键是一种称为轮烷的新型分子结构，它包含两个主要成分——环状分子和线性“轴”分子。环状分子穿过轴分子，之后由于轴末端的形状而被机械捕获。
研究人员利用轮烷中的这种联锁机制，使环状分子与一条聚合物链化学结合，并使轴分子与另一条链化学结合。接下来，他们通过标准超声波处理和随后的聚合制备了水和聚合物纳米颗粒的混合物，然后将其用于生产乳胶膜。对这些薄膜进行的拉伸实验表明，基于轮烷的策略产生了一些显着的特性。“与传统的基于纳米颗粒的弹性聚合物相比，由轮烷交联纳米颗粒组成的乳胶膜表现出不寻常的裂纹扩展行为，”铃木博士解释道。“裂纹扩展的方向从平行于裂纹变为垂直于裂纹，从而提高了抗撕裂性。”
与传统方法相比，制造乳胶膜的新方法具有许多优点。最重要的是，不需要有添加剂即可实现合理的薄膜韧性。此外，由于只需要少量的轮烷，因此薄膜的总重量可以保持较低，同时保持柔韧性。所提议的乳胶膜也是可持续的。“它们是可降解的，只需将它们浸泡在环境友好的有机溶剂(例如乙醇水溶液)中，就可以轻松分解成单个纳米颗粒，”铃木博士强调说。“这些纳米颗粒可以在溶液蒸发后再次形成薄膜。因此，这项研究的结果可以帮助创造高度耐用和可回收的材料。”
总体而言，该团队希望他们的工作能够扩大无添加剂的新型聚合物薄膜的设计范围。因此，此类材料可以具有生物相容性，除了包装、工业涂料和粘合剂之外，还具有在生物技术和医学领域的潜在应用。
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