Tailoring of iron oxide nanoparticle surfaces : application of phosphonic acid derivatives to control particle properties and synthesis of stable self-healing organic-inorganic nanocomposites

Abstract

Materialermüdung und daraus resultierendes Versagen sind Probleme, die bei allen Werkstoffen auftreten. Um die Lebensdauer der Materialien zu verlängern, werden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt. Während im ersten Ansatz die Robustheit der Werkstoffe verbessert wird, werden im zweiten Ansatz so genannte selbstheilende Materialien entwickelt, die entstandene Schäden eigenständig oder durch Energiezufuhr reparieren. In dieser Arbeit wurden selbstheilende Nanokomposite basierend auf superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln und Methacrylat basierten Polymermatrizes hergestellt. Als Heilmechanismen wurden ionische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, sowie dynamische kovalente Bindungen in Form von Diels-Alder/Retro-Diels-Alder-Reaktionen genutzt. Durch gezieltes Design der Partikeloberflächen mit funktionalisierten Phosphonsäuren konnte eine stabile Einbettung in die Polymermatrix erreicht werden. N,N,N-Trimethyl-6-phosphonohexan-1-ammoniumbromid- und (10-(3-Propylureido)decyl)phosphonsäure-funktionalisierte Partikel, kombiniert mit Sulfonat- oder Ureylen-funktionalisierten Polymeren wurden eingesetzt, um den Heilmechanismus an die Partikel-Polymer-Phasengrenze und damit genau an die Schwachstelle herkömmlicher Verbundwerkstoffe zu verlagern. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Nanokomposite durch induktive Erwärmung der Nanopartikel sowohl räumlich aufgelöst als auch bei niedrigeren Temperaturen als bei konventioneller Ofenheizung ausgeheilt werden können.

Material fatigue and subsequent failure are problems that affect all materials. While one approach is to improve robustness to prevent damage from occurring, self-healing materials can repair damage autonomously or through energy input. This can greatly improve the service life of these materials. In this work, self-healing nanocomposites based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles and methacrylate-based polymer matrices were synthesized. Ionic interactions, as well as hydrogen bonding and dynamic covalent bonding in the form of Diels-Alder/retro-Diels-Alder reactions, were used to induce self-healing properties in the composites. By carefully designing the particle surfaces using functional phosphonic acids, stable incorporation into the polymer matrices was achieved. N,N,N-Trimethyl-6-phosphonohexyl-1-ammonium bromide and (10-(3-propylureido)-decyl)phosphonic acid functionalized particles were used in combination with sulfonate or ureylene functionalized polymers to shift the healing mechanism to the particle-polymer-phase interface, thereby relocating it precisely to the weak point of conventional composites. Key parameters such as polymer composition and particle content in the composite were optimized to tailor the mechanical properties and healing efficiency. Furthermore, magnetic field-induced heating of the particles allowed spatially resolved healing of the nanocomposites at lower macroscopic temperatures than conventional oven heating.