Syntetiska polymermaterial, som plast och gummi, har blivit allestädes närvarande i våra dagliga liv. Det är därför viktigt att se till att de är säkra, hållbara och hållbara. Detta gäller särskilt för syntetiska latexfilmer, som används i stor utsträckning i förpackningar, biomedicin och elektronik.
Men vad är egentligen syntetiska latexfilmer? Enkelt uttryckt är de en typ av nanopartikelbaserade filmer som produceras genom att torka ut en blandning av polymernanopartiklar och vatten. När lösningsmedlet avdunstar blir nanopartiklarna mer packade tills slutligen interaktionerna mellan polymerkedjorna vid nanopartiklarnas gränser skapar en sammanhängande film.
Tyvärr är latexfilmerna som produceras på detta sätt svaga. I de flesta fall måste organiska lösningsmedel och fyllmedel tillsättas till den ursprungliga blandningen för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos slutprodukten. Dessa tillsatser är inte bara dyra utan också skadliga för miljön.
Lyckligtvis har ett team av forskare från Japan, ledd av docent Daisuke Suzuki från Shinshu University, nyligen utvecklat ett innovativt sätt att producera tuffa och sprickbeständiga elastiska nanopartikelbaserade latexfilmer utan att använda sådana tillsatser. Deras arbete, publicerat i tidskriften Langmuir , inkluderade bidrag från Yuma Sasaki från Shinshu University och professor Toshikazu Takata från Hiroshima University.
Nyckeln till deras tillvägagångssätt var en ny molekylstruktur känd som rotaxan, som består av två huvudkomponenter - en ringliknande molekyl och en linjär "axel"-molekyl. Den ringliknande molekylen träs genom axelmolekylen, som därefter fastnar mekaniskt på grund av formen på axelavslutningarna.
Forskarna utnyttjade denna sammankopplande mekanism i rotaxan genom att få den ringliknande molekylen kemiskt att binda till en polymerkedja och axelmolekylen till en annan kedja. Därefter förberedde de blandningar av vatten och polymernanopartiklar genom standard ultraljudsbehandling och efterföljande polymerisering som i sin tur användes för att producera latexfilmer. Sträckningsexperimenten som utfördes på dessa filmer visade att den rotaxanbaserade strategin resulterade i några anmärkningsvärda egenskaper.
"I motsats till konventionella nanopartikelbaserade elastiska polymerer uppvisade latexfilmerna som består av de rotaxan-tvärbundna nanopartiklarna ett ovanligt sprickförökningsbeteende", förklarar Dr Suzuki. "Riktningen för sprickutbredning ändrades från att vara parallell med sprickan till en vinkelrät mot sprickan, vilket resulterade i en ökad rivhållfasthet."
Det nya sättet att göra latexfilmer erbjuder många fördelar jämfört med konventionella metoder. Det viktigaste är att inga giftiga tillsatser behövs för att uppnå rimlig filmseghet. Dessutom, eftersom endast en liten mängd rotaxan behövs, kan den totala vikten av filmerna hållas låg samtidigt som flexibiliteten bevaras. De föreslagna latexfilmerna är också hållbara.
"De är nedbrytbara och kan enkelt demonteras till individuella nanopartiklar genom att helt enkelt blötlägga dem i ett miljövänligt organiskt lösningsmedel, såsom en vattenhaltig etanollösning", säger Dr Suzuki. "Dessa nanopartiklar kan sedan bilda en film igen vid avdunstning av lösningen. Resultaten av denna forskning kan på så sätt bidra till att skapa mycket hållbara och återvinningsbara material."
Sammantaget förväntar sig teamet att deras arbete ska bredda räckvidden för design av nya polymerfilmer utan tillsatser. Sådana material skulle således kunna göras biokompatibla, med potentiella tillämpningar inom bioteknik och medicin förutom förpackningar, industriella beläggningar och lim.
Mer information: Yuma Sasaki et al, nanopartikelbaserade tuffa polymerer med sprickutbredningsresistens, Langmuir (2023). DOI:10.1021/acs.langmuir.3c01226
Journalinformation: Langmuir
Tillhandahålls av Shinshu University
