«Мы показываем, что, используя катализатор в виде наночастиц, мы можем производить PBO в более экологически чистых условиях и без использования химического вещества, которое, как известно, вызывает неожиданное разложение этих материалов», – сказал Шухенг Сан, профессор химии в Университете Брауна и соавтор книги. новый документ с описанием исследования. "Мы думаем, что это может быть путь к созданию более прочных материалов PBO."
Исследование описано в журнале Matter.
Традиционный способ получения PBO (его полное название – полибензоксазол) включает использование полифосфорной кислоты (PPA) в качестве катализатора необходимых химических реакций и растворителя. PPA – это сильная, очень коррозионная кислота, которая была определена как источник разложения PBO.
Молекулы кислоты застревают в полимерной цепи, делая волокна подверженными разрушению при воздействии света и влаги с течением времени. Эта деградация привела к отзыву бронежилетов на основе PBO в прошлом.
Лаборатория Sun в Брауне активно работает с композитными катализаторами из наночастиц, способными выполнять новые реакции, необходимые для получения PBO, и они делают это без использования PPA. Катализирование реакций с помощью наночастиц также потребует меньше энергии и может быть выполнено с использованием возобновляемой муравьиной кислоты в качестве источника водорода. Все это делает производственный процесс более экологичным.
Однако до сих пор композитные катализаторы из наночастиц в основном использовались для получения только небольших органических молекул.
Ранее было неизвестно, можно ли использовать композитный катализатор, который в данном случае состоит из частиц сплавов золота и палладия, для катализирования контролируемого роста полимерных цепей.
«Ключевой вопрос, на который мы пытались ответить, – можем ли мы контролировать реакции, чтобы получить хороший контроль над степенью полимеризации», – сказал Сан. «В конечном итоге мы показали, что можем сделать это, настроив состав и размер наночастиц сплава в нашем катализаторе."
Было показано, что состав сплава, состоящий примерно из 40 процентов золота и 60 процентов палладия, является оптимальным для контроля скорости реакций, необходимых для получения ПБО. Частицы размером около 8 нанометров обеспечивали скорость реакции, которая максимально увеличивала молекулярную массу полимеров PBO.
Чтобы выяснить, действительно ли PBO устойчив к деградации, команда вместе с исследователями из инженерной школы Брауна провела механические испытания. Эти испытания показали, что полимеры PBO, изготовленные с использованием катализатора в виде наночастиц, были более устойчивы к разрушению, чем коммерчески доступный Zylon – даже после кипячения в воде и кислоте в течение нескольких дней.
Исследователи говорят, что будущая работа будет сосредоточена на создании полимеров PBO с более высокой молекулярной массой. Полимеры, полученные для этого исследования, были значительно легче, чем полимеры коммерческого сорта, что ограничивает их первоначальную механическую прочность.
Тем не менее, по словам исследователей, эта работа является убедительным доказательством концепции о том, что композитные наночастицы могут производить устойчивые к деградации PBO.
Джером Робинсон, доцент кафедры химии в Брауновом и соавтор исследования, отметил, что разносторонний опыт исследовательской группы Брауна имел решающее значение для успеха этой работы.
«Было действительно важно, что мы смогли сотрудничать с инженерами и другими исследователями», – сказал Робинсон. "Было здорово иметь возможность перейти улицу к Инженерной школе и провести механические испытания, и я думаю, что у нас есть подходящая команда для продолжения этого исследования."