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氢键结合方式对于韧性复合材料的制备至关重要!!2018-02-20

氢键结合方式对于韧性复合材料的制备至关重要!!

莱斯大学研究人员发现聚合物(蓝色)和水泥(黄色)界面的相互作用,研究结果表明氢键的正确混合对于制造用于基础设施的具有坚固、坚韧和延展性的复合材料至关重要。如图所示,通过利用计算机进行模拟,研究人员能够测量硬水泥在模拟珍珠层结构的层状复合材料中滑过软聚合物时的粘结强度。图像:普罗布斯•亨迪/多尺度材料实验室。

Shahsavari和莱斯研究生Navid Sakhavand通过进行20多次的计算机模拟,最终模拟了聚合物和水泥分子在纳米尺度上结合原理,以及促使它们结合的驱动力。这表明氧和氢原子之间的距离是形成连接软层和硬层的弱氢键网络的关键因素。常见的聚丙烯酸( PAA )结合水泥晶体的重叠层效果最好,最佳重叠约为15 nm。

Shahsavari表示:“这些信息对于合成出性能最好的复合材料是非常重要的。利用现代工程方法加工这些材料可以建造新的或者完全替代老化设施,而这将对现在社会产生巨大的变革。Shahsavari 和Sakhavand在Applied Physics Letters杂志上报告了他们的研究结果。

虽然工程师们知道添加聚合物可以防止“侵蚀性”离子侵入水泥孔隙的而产生破坏作用,进而降低水泥的使用性能,但关于该材料在分子水平上的相互作用机理的相关细节尚未弄清楚。为了解决这一问题,两位研究人员分别模拟了PAA和聚乙烯醇( PVA )制成的复合材料,其中这两种材料都是用于改善水泥性能的软基体材料。

他们发现,PAA中的两个氧原子(与PVA中的相反)使其在与托勃莫来石水泥晶体中的氢结合时能够吸收或者释放离子。PAA中的氧原子与氢原子的结合方式有八种(PVA中的结合方式有六种),并且还可以参与聚合物与水泥之间的盐桥链,这使得结合网络更加复杂。

研究人员通过模拟聚合物的滑动层和水泥的阻力来测试它们的结构,测试结果表明结构越复杂,PAA和水泥之间的键随着材料的应力增加容易断裂和重新连接。这显著地增加了复合材料的变形而不断裂的能力——韧性,这个研究结果让研究人员确定了水泥晶体之间的最佳重叠参数。”

Shahsavari说:“众所周知氢键的结合力是很弱的,但这个结果使我们对氢键有了新的认识,当能够满足最佳重叠的氢键数目相互发生作用的时候,它们在复合材料中提供了足够的连通性,从而赋予了材料具有高强度和韧性。从实验的角度讲,这可以通过小心调节和控制具有合适分子量的聚合物的加入,同时控制水泥矿物的形成来实现。最近同事的一篇文章为这一理论提供了充足的实验依据。”

文章来自materialstoday网站