Експериментальне та моделювальне дослідження структурних, оптичних та механічних властивостей нанокомпозитів PLA/ZnO
Анотація
У цій роботі представлено комплексне експериментальне та теоретичне дослідження нанокомпозитів на основі полілактиду (PLA), армованих наночастинками оксиду цинку (ZnO) з концентраціями 0,5, 1, 3 та 5 мас.%. Стан дисперсії та мікроструктурні особливості ZnO в матриці PLA досліджувалися за допомогою сканувальної електронної мікроскопії у поєднанні з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією, що виявило однорідний розподіл наповнювача за низького вмісту та поступове агломерування за вищих концентрацій. Аналіз рентгенівської дифракції підтвердив збереження гексагональної вюрцитної кристалічної структури ZnO після введення в полімерну матрицю, тоді як композиційно залежні зміни розміру кристалітів і мікродеформацій ґратки корелюють із механічною відповіддю композитів. Інфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур’є свідчить про наявність міжфазних взаємодій між ланцюгами PLA та наночастинками ZnO, що проявляється у систематичних зсувax смуги валентних коливань карбонільної групи та пов’язаних із цим ефектах перерозподілу заряду. Ультрафіолетово-видима спектроскопія демонструє суттєве підвищення ефективності екранування ультрафіолетового випромінювання зі зростанням вмісту ZnO, що супроводжується появою підзонних смуг поглинання, зумовлених дефектними та міжфазними електронними станами. Розрахунки в межах теорії функціоналу густини підтверджують експериментальні результати, виявляючи міжфазний перенос заряду та незначні модифікації електронної структури на межі розділу PLA/ZnO. Отримані результати показують, що введення ZnO підвищує механічну жорсткість і ефективність УФ-захисту, при цьому оптимальний вміст ZnO нижче 1 мас.% забезпечує збереження механічної цілісності та мінімізує деградацію, спричинену агломерацією наночастинок.
Завантаження
Посилання
A. Sharif, S. Mondal, and E. Hoque, Polylactic Acid (PLA)-Based Nanocomposites: Processing and Properties, (Springer, Cham.), pp. 233–254. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05825-8_11
F.T. Yusupov, M.F. Akhmadjonov, D.S. Khidirov, D.K. Tolaboyev, & I.M. Tursunov, “Impact of Resistivity on Electrical Characteristics of Al-Doped ZnO/p Si Heterostructures,” East European Journal of Physics, (1), 177-183 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-17
M. Murariu, S. Benali, Y. Paint, A.-L. Dechief, O. Murariu, J.-M. Raquez, & P. Dubois, “Adding Value in Production of Multifunctional Polylactide (PLA)-ZnO Nanocomposite Films through Alternative Manufacturing Methods,” Molecules, 26(7), 2043 (2021). https://doi.org/10.3390/MOLECULES26072043
Y. Huang, Wang, T., Zhao, X., Wang, X., Lu, Z., Yang, Y., Liao, F., & Ju, Y. (2015). Poly(lactic acid)/graphene oxide–ZnO nanocomposite films with good mechanical, dynamic mechanical, anti-UV and antibacterial properties. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 90(9), 1677–1684. https://doi.org/10.1002/JCTB.4476
D.S. Bajwa, J. Shojaeiarani, J.D. Liaw, & S.G. Bajwa, “Role of Hybrid Nano-Zinc Oxide and Cellulose Nanocrystals on the Mechanical, Thermal, and Flammability Properties of Poly (Lactic Acid), Polymer,” J. Compos. Sci. 5(2), 43 (2021). https://doi.org/10.3390/JCS5020043
A.H.D. Abdullah, O.D. Putri, A.K. Fikriyyah, R.C. Nissa, S. Hidayat, R.F. Septiyanto, M. Karina, & R. Satoto, “Harnessing the Excellent Mechanical, Barrier and Antimicrobial Properties of Zinc Oxide (ZnO) to Improve the Performance of Starch-based Bioplastic,” Polymer-Plastics Technology and Materials, 59(12), 1259–1267 (2020). https://doi.org/10.1080/25740881.2020.1738466
F.T. Yusupov, T.I. Rakhmonov, M.F. Akhmadjonov, M.M. Madrahimov, & S.S. Abdullayev, “Enhancing ZnO/Si Heterojunction Solar Cells: A Combined Experimental and Simulation Approach,” East European Journal of Physics, (3), 425-434 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-51
Yusupov, F. T., Mirzaev, V. T., Rakhmonov, T. I., Nurmatov, O. R., & Khidirov, D. Sh. (2025). Enhanced optoelectronic properties of ZnO thin films through boron and fluorine co-doping. Journal of Ovonic Research, 21(3), 285-296. https://doi.org/10.15251/JOR.2025.213.285
Yusupov, F. T., Rakhmonov, T. I., Khidirov, D. S., Akhmadjanova, S. S., & Akhmadaliyev, J. A. (2025). Zn₂SnO₄ Thin Films for Photovoltaics: Structural Optimization and Charge Transport Analysis. East European Journal of Physics, (2), 335-341. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-42
Hashemi, Arsalan & Peljo, Pekka & Laasonen, Kari. (2022). Understanding Electron Transfer Reactions using Constrained Density Functional Theory: Complications due to Surface Interactions. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c06537
Sbardella, F., Martinelli, A., Di Lisio, V., Bavasso, I., Russo, P., Tirillò, J., & Sarasini, F. (2021). Surface Modification of Basalt Fibres with ZnO Nanorods and Its Effect on Thermal and Mechanical Properties of PLA-Based Composites. 11(2), 200. https://doi.org/10.3390/BIOM11020200
Rakhmonov, Tokhir & Yusupov, Fakhriddin & Mirzaev, Valijon & Tursunov, Ikhtiyorjon & Rakhimjonov, Jakhongir & Akhmadaliyev, Javokhir. (2025). Bio-engineered ZnO/PSi nanocomposites: Structural and optical properties for biosensing applications. BIO Web of Conferences. 173. https://doi.org/10.1051/bioconf/202517303015
Arshian, M., Estaji, S., Tayouri, M. I., Mousavi, S. R., Shojaei, S., & Khonakdar, H. A. (2022). Poly(lactic acid) films reinforced with hybrid zinc oxide ‐ polyhedral oligomeric silsesquioxane nanoparticles: Morphological, mechanical, and antibacterial properties. Polymers for Advanced Technologies, 34(3), 985–997. https://doi.org/10.1002/pat.5946
Li, J., Zhen, W., Shen, D., & Han, W. (n.d.). Properties of Polylactic Acid/Zinc Oxide Pillared Saponite Nanocomposites Prepared by Solution Intercalation. https://doi.org/10.16865/j.cnki.1000-7555.2013.10.037
Pušnik Črešnar, K., Fras Zemljič, L., Papadopoulos, L., Terzopoulou, Z., Zamboulis, A., Klonos, P. A., Klonos, P. A., Bikiaris, D. N., Kyritsis, A., & Pissis, P. (2021). Effects of Ag, ZnO and TiO2 nanoparticles at low contents on the crystallization, semicrystalline morphology, interfacial phenomena and segmental dynamics of PLA. Materials Today Communications, 27, 102192. https://doi.org/10.1016/J.MTCOMM.2021.102192
Tu, Y., Zhou, L., Jin, Y., Gao, C., Ye, Z., Yang, Y. F., & Wang, Q. L. (2010). Transparent and flexible thin films of ZnO-polystyrene nanocomposite for UV-shielding applications. Journal of Materials Chemistry, 20(8), 1594–1599. https://doi.org/10.1039/B914156A
Ohashi, N. (2014). Bulk, interface and surface properties of zinc oxide. Journal of the Ceramic Society of Japan, 122(1427), 530–536. https://doi.org/10.2109/JCERSJ2.122.530
Boboev, A. Y., Yunusaliyev, N. Y., Makhmudov, K. A., Abdulkhaev, F. A., Tojiboyev, G. G., & G‘ofurjonova, M. O. (2025). Surface Morphology and Roughness of Sulfur-Doped ZnO Thin Films: Analysis Based on Atomic Force Microscopy. East European Journal of Physics, (3), 319-324. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-30
Barman, A., De, A., & Das, M. (2020). Stabilization and Dispersion of ZnO Nanoparticles in PVA Matrix. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 30(6), 2248–2257. https://doi.org/10.1007/S10904-019-01395-7
Nakagawa, H., & Iritani, K. (2025). Preparation of Particle-Reinforced Resin Using Highly Functional ZnO Particle Filler Driven by Supramolecular Interactions. https://doi.org/10.20944/preprints202505.2451.v1
Eliyan, T., Mansour, D. A., Emara, M. M., & Hegazi, E. M. (2024). Thermal, Mechanical and Electrical Properties of EPDM/ZnO Nanocomposites for High Voltage Insulators under the Effect of Gamma Radiation. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1. https://doi.org/10.1109/tdei.2024.3414967
Pervaiz, S., Kanwal, N., Hussain, S., Saleem, M., & Khan, I. A. (2021). Study of structural, optical and dielectric properties of ZnO/PVDF-based flexible sheets. Journal of Polymer Research, 28(8), 1–13. https://doi.org/10.1007/S10965-021-02640-9
Buckley, D. H., McNulty, D., Zubialevich, V. Z., Parbrook, P. J., & O’Dwyer, C. (n.d.). Highly-Ordered Growth of Solution-Processable ZnO for Thin Film Transistors. https://doi.org/10.1149/ma2017-01/25/1219
Zheng, H. J., Zhao, Z., Liu, Y. L., Zhao, X. F., & Xi, K. H. (2012). Preparation of PLA/Nano-ZnO Composites. Advanced Materials Research, 1901–1904. https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/AMR.476-478.1901
Restrepo, I., Benito, N., Medinam, C., Mangalaraja, R. V., Flores, P., & Rodríguez-Llamazares, S. (2017). Development and characterization of polyvinyl alcohol stabilized polylactic acid/ZnO nanocomposites. 4(10), 105019. https://doi.org/10.1088/2053-1591/AA8B8D
Rahimli, A., Huseynova, A., & Musayeva, N. (2024). Comprehensive analysis OF ZnO-Doped polystyrene nanocomposites: Structural, optical and defect analysis. Journal of Thermoplastic Composite Materials. https://doi.org/10.1177/08927057241291794
Nonato, R. C., Innocnentini Mei, L. H., Bonse, B. C., Leal, C. V., Levy, C. E., Oliveira, F. A., Delarmelina, C., Duarte, M. C. T., & Morales, A. R. (2022). Nanocomposites of PLA / ZnO nanofibers for medical applications: Antimicrobial effect, thermal, and mechanical behavior under cyclic stress. Polymer Engineering and Science, 62(4), 1147–1155. https://doi.org/10.1002/pen.25913
Basavaraj, H. G., Renuka, C. G., Harihar, C. A., Sangappa, Y., Rao, B. L., & Madhukumar, R. (2020). Physicochemical mechanical and optical properties of polymer inorganic composite thin films: Applications. 2244, 110009. https://doi.org/10.1063/5.0009947
Klok, L. A., Steffen, T. T., Sabedra, H. R., Fontana, L. C., Hammer, P., Marega, F. M., Costa, L. C., Pessan, L. A., & Becker, D. (2023). ZnO surface modification with maleic anhydride using plasma treatment. Plasma Processes and Polymers. https://doi.org/10.1002/ppap.202300165
Lauritsen, J. V., Porsgaard, S., Rasmussen, M. K., Jensen, M. C. R., Bechstein, R., Meinander, K., Clausen, B. S., Helveg, S., Wahl, R., Kresse, G., & Besenbacher, F. (2011). Stabilization Principles for Polar Surfaces of ZnO. ACS Nano, 5(7), 5987–5994. https://doi.org/10.1021/NN2017606
Авторське право (c) 2026 Фахріддін Т. Юсупов, Тохірбек І. Рахмонов, Мехріддін Ф. Ахмаджонов, Ділобарбану Є. Абдукодірова, Єлмурат Досимов, Іфтихорджон Юльчієв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
