A*STAR-forskare har hårdnat upp polymjölksyra samtidigt som den behåller sin elasticitet genom att lägga till kärna-skal nanopartiklar som ett fyllmedel1.

Polymjölksyra (PLA) är en biologiskt nedbrytbar och mycket biokompatibel polymer med god termisk bearbetbarhet, som har funnit utbredd användning i biomedicinska tillämpningar och som förpackningsmaterial. Dock, den är skör och har dålig mekanisk stabilitet, så det modifieras ofta genom att lägga till förstärkande polymerer och genom att införliva olika polymerisationsmetoder. Tyvärr, dessa modifieringar minskar också materialets styrka och elasticitetsmodul, vilket begränsar dess tillämpningar.

Nu, Chaobin He, Beng Hoon Tan och kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, rapportera den ökade segheten hos PLA, samtidigt som materialets styrka och modul bibehålls, genom tillsats av kärna-skal nanopartiklar som ett fyllmedel. Nanopartiklarna har kiseldioxidkärnor med gummikedjor kovalent kopplade till kiseldioxiden, och poly(D-mjölksyra) (PDLA) ympad på det yttre skalet. Dessa sekventiella steg realiserades genom att använda en teknik som kallas "ringöppningspolymerisation".

Vid tillsats av nanopartiklarna till en poly(L-mjölksyra) (PLLA) matris med hjälp av en lösningsblandningsprocess, ett komplex bildas mellan de vidhängande PDLA-kedjorna och PLLA-matrisen. Intressant, termisk analys av polymernanokompositen indikerar att materialet återmonteras perfekt efter omkristallisation från smältan. Denna smältminneseffekt förstärks avsevärt genom inkorporeringen av gummikedjor i nanopartiklarna.

"Närvaron av kiseldioxid-gummi-PDLA-nanopartiklar i PLA-matrisen och dess komplexbildning med PLLA ger stressavlastning och överbryggande effekter under deformation, vilket förbättrar segheten utan att offra styrka och modul, " säger He. Den ökade lätta avspänningen beror troligen på gummits förmåga att fungera som en spänningskoncentrator under plastisk deformation. Från mikroskopisk analys av polymeren nanokomposit, materialets deformationsmekanismer identifierades som "crazing", som involverar bildandet av mikrohålrum i materialet, och flimmer på platser med lokal plastisk deformation.

"Den storskaliga produktionen av PLA från förnybara resurser gör vårt miljövänliga material till en lovande kandidat för att ersätta petroleumbaserade termoplaster, ", säger han. "Medan vårt tillvägagångssätt avsevärt har övervunnit bristerna med ren PLA, såsom sprödhet och dålig mekanisk stabilitet, ytterligare optimering av material och process samt förbättring av nanopartiklar-polymermatriskompatibiliteten måste utföras."

"Förmågan att härda PLA med tillsatsen av dessa kisel-gummi-PLA-nanopartiklar kommer att bana väg för vidareutveckling av hållbara polymerer för bredare tillämpningar, exempel, hemelektronik, fordon och förpackningar, avslutar han.