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Long-term stability of silane-passivated zirconia nanoparticles with low surface energy

材料科学 化学工程 立方氧化锆 四方晶系 纳米颗粒 表面能 色散(光学) 表面改性 硅烷 相(物质) 高分子化学 纳米技术 化学 有机化学 复合材料 陶瓷 工程类 冶金 物理 光学
作者
Hee-Seon Lee,Hwanseok Lee,Wang‐Eun Lee,Jinhee Lee,In Young Song,Hwanhui Yun,Hee Soo Lee,Kyuyoung Heo
出处
期刊:Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects [Elsevier BV]
卷期号:676: 132282-132282
标识
DOI:10.1016/j.colsurfa.2023.132282
摘要

The performance of zirconia nanoparticles (ZrO2 NPs) is critically dependent on their dispersion and stability. Effective control of NP dispersion is crucial for achieving a high refractive index, transparency, and exceptional mechanical properties in organic-inorganic hybrid films that incorporate ZrO2 NPs. In this study, we compared the crystalline properties and stability of ZrO2 NPs synthesized via two distinct methodologies: solvothermal synthesis using a zirconium isopropoxide isopropanol complex (ZII, Zr(OCH(CH3)2)4·(CH3)2CHOH) and sol-gel synthesis using zirconyl chloride octahydrate (ZC, ZrOCl2·8H2O). Both solutions exhibited precipitation, and the particles showed aggregation behavior. Despite being in a suspended state, the particles synthesized using the ZII precursor (T-ZrO2) exhibited hard-sphere behavior, distinct interparticle boundaries, and a tetragonal crystalline phase. However, the particles produced using the ZC precursor (A-ZrO2) were nearly amorphous without well-defined sizes and morphologies. Further, the hydroxyl end groups of both particle types were exchanged using a silane coupling agent (3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, TMSPM) via hydrolysis and condensation reactions. The presence of the TMSPM groups on the surface of ZrO2 NPs afforded surface-modified TMSPM-T-ZrO2 with enhanced stability and prevented particle aggregation, thus maintaining the dispersion stability for up to one year under ambient conditions. The low surface energy and stabilization of the TMSPM-T-ZrO2 NPs were influenced by the tetragonal crystalline phase, which was conducive to surface modification using a silane coupling agent.
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