Structure of polymer/clay nanocomposites, a molecular modelling perspective

Abstract

The search for renewable biodegradable materials to replace conventional oil-based plastics is a fast-growing research area as it provides an important factor for the sustainable growth of the packaging industry. In this regard, clay-containing composite materials have numerous current and potential commercial applications. However, the interaction between clay and polymer, i.e. Poly(ethylene glycol), is influenced by many factors, such as the nature of the clay, length and nature of the polymer chain, hence, in this work polymer/clay nanocomposite is studied both ex`perimentally and theoretically. Structural and thermodynamic properties of formulated nanocomposites are probed using XRD and TGA techniques and then compared with corresponding values derived from a series of Molecular Dynamics simulations of intercalated polymer/clay nanocomposites. For the first time, the developed potential models were able to predict realistic basal spacing of poly(ethylene glycol)/clay nanocomposite. The simulation also revealed the structure of the interlayer on a molecular level, which greatly benefited the understanding of the formation of polymer/clay coatings. The swelling dynamics, energetics and structure of the clay interlayers are examined. Particular attention is paid to the behaviour of polymer and water when they coexist in the clay interlayer.

Căutarea de materiale regenerabile biodegradabile care să înlocuiască materialele plastice convenționale pe bază de ulei este un domeniu de cercetare în ascensiune, deoarece oferă posibilitate pentru creșterea durabilă a industriei ambalajelor. În acest sens, materialele compozite care conțin argilă au numeroase aplicații comerciale actuale și potențiale. Cu toate acestea, interacțiunea dintre argilă și polimer este influențată de mulți factori, cum ar fi natura argilei, lungimea și natura lanțului polimeric. În această lucrare, nanocompozitul polimer/argilă este cercetat experimental și teoretic. Proprietățile structurale și termodinamice ale nanocompozitelor formulate sunt testate folosind tehnici XRD și TGA și ulterior comparate cu valorile corespunzătoare derivate dintr-o serie de simulări de dinamică moleculară a nanocompozitelor intercalate polimer/argilă. Pentru prima dată, modelele potențiale dezvoltate au reușit să modeleze distanța bazală realistă a nanocompozitului poli(etilen glicol)/argilă. Simularea a dezvăluit, de asemenea, structura stratului intermediar la nivel molecular, ceea ce a avantajat înțelegerea formării acoperirilor de polimer/argilă. Se examinează dinamica gonflării, energia și structura straturilor intermediare de argilă. O atenție deosebită este acordată comportării polimerului și apei atunci când acestea coexistă în stratul intermediar de argilă.