Ett team av forskare har hittat ett nytt sätt att tillverka ett polymermaterial som kallas PBO, en produkt känd kommersiellt som Zylon som används i skottsäkra västar och andra högpresterande tyger. Det nya tillvägagångssättet kan vara användbart för att göra PBO-produkter som motstår nedbrytning, ett problem som har plågat PBO-baserade material tidigare.

"Vi visar att man använder en nanopartikelkatalysator, vi kan producera PBO under mer miljövänliga förhållanden och utan att använda en kemikalie som är känd för att få dessa material att brytas ned oväntat, " sa Shouheng Sun, en professor i kemi vid Brown University och medförfattare till en ny artikel som beskriver forskningen. "Vi tror att detta kan vara en väg mot att göra mer robusta PBO-material."

Forskningen beskrivs i tidskriften Materia .

Det traditionella sättet att tillverka PBO (dess fullständiga namn är polybensoxazol) innebär användning av polyfosforsyra (PPA) som både en katalysator för nödvändiga kemiska reaktioner och som lösningsmedel. PPA är en stark, starkt frätande syra och har utpekats som källan till PBO-nedbrytning. Syrans molekyler fastnar i polymerkedjan, lämnar fibrerna känsliga för nedbrytning när de utsätts för ljus och fukt över tid. Den försämringen har tidigare lett till återkallelsen av PBO-baserade kroppsrustningar.

Suns labb i Brown har arbetat mycket med kompositnanopartikelkatalysatorer som kan utföra de nya reaktioner som krävs för att göra PBO, och de gör det utan att använda PPA. Att katalysera reaktionerna med nanopartiklar skulle också kräva mindre energi och kan utföras med förnybar myrsyra som vätekälla. Allt detta gör produktionsprocessen grönare.

Tills nu, dock, Kompositnanopartikelkatalysatorer har till stor del använts för att tillverka endast små organiska molekyler. Oavsett om en sammansatt katalysator, som i detta fall är gjord av partiklar av guld och palladiumlegeringar, kan användas för att katalysera den kontrollerade tillväxten av polymerkedjor var tidigare okänd.

"Nyckelfrågan vi försökte svara på är om vi kan kontrollera reaktionerna så att vi får en bra kontroll på graden av polymerisation, "Sun sa. "Vi visade till slut att vi kunde göra det genom att justera sammansättningen och storleken på legeringsnanopartiklarna i vår katalysator."

En legeringssammansättning på nära 40 procent guld och 60 procent palladium visade sig vara optimal för att kontrollera reaktionshastigheten som behövs för att göra PBO. Partiklar runt 8 nanometer i storlek producerade en reaktionshastighet som maximerade molekylvikten för PBO-polymererna.

För att ta reda på om PBO verkligen var resistent mot nedbrytning, teamet arbetade med forskare vid Browns School of Engineering för att utföra mekaniska tester. Dessa tester visade att PBO-polymererna gjorda med nanopartikelkatalysatorn var mer resistenta mot nedbrytning än kommersiellt tillgängliga Zylon - även efter att ha kokats i vatten och syra i flera dagar.

Forskarna säger att framtida arbete kommer att fokusera på att generera PBO-polymerer med högre molekylvikter. Polymererna som genererades för denna studie var betydligt lättare än de för den kommersiella produkten, vilket begränsar deras initiala mekaniska styrka. Fortfarande, forskarna säger, verket är ett starkt bevis på idén att kompositnanopartiklar kan producera nedbrytningsresistent PBO.

Jerome Robinson, en biträdande professor i kemi vid Brown och en studie medförfattare, noterade att Browns forskargrupps mångsidiga expertis var avgörande för framgången för detta arbete.

"Det var verkligen viktigt att vi kunde samarbeta med ingenjörer och andra forskare, " sa Robinson. "Att kunna gå tvärs över gatan till Tekniska Högskolan och göra de mekaniska testerna var fantastiskt, och jag tror att vi har rätt team för att föra denna forskning vidare."