التقييم التحليلي المقارن لروابط MgO و CuO في أنظمة إنتاج الجسيمات النانوية البوليمركية وأكسيد المعادن

ملخص

تقدم هذه الدراسة تقييما تحليليا مقارنا مدفوعا بمجموعة البيانات للمركبات النانوية البوليمركية القائمة على MgO وCuO باستخدام تحليل مجموعات بيانات أكسيد المعادن الخارجية، ومؤشرات الأداء القائمة على المعادلات، والتفسير الحاسوبي. تشير التحليلات إلى أن أنظمة MgO تظهر سلوكا هيكليا وحراريا محسنا نسبيا، في حين تظهر أنظمة CuO أداء وظيفيا محسنا، خاصة في التطبيقات المتعلقة بالتوصيلية.

الملخص

تقدم هذه الدراسة تحقيقا تحليليا مقارنا مدفوعا بمجموعة البيانات لمركبات البوليمر النانوية المعززة بجسيمات أكسيد المعادن النانوية لتقييم تأثير رابطات أكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد النحاس (CuO) على الخصائص الهيكلية والميكانيكية والحرارية والوظيفية. تم استخدام كحول البوليفينيل (PVA) كمصفوفة بوليمر للتقييم المقارن لنظام إنتاج المركبات النانوية المعتمدة على MgO- وCuO. تم إجراء التحليل باستخدام مجموعة بيانات أكسيد المعادن، التي تضمنت 120 ملاحظة لخصائص المواد من أنظمة نانوية مركبة بوليمرية تعتمد على MgO وCuO. تم تقييم تركيزات الروابط بنسبة 1 وزن، 3 وزن، و5٪ وزن مقارنة باستخدام مؤشرات الأداء القائمة على المعادلات، وتحليل التفاعل متعدد الرؤوس، ونماذج التصنيف الحاسوبية المعتمدة على القواعد التي تم تنفيذها في بايثون 3.11. تم إجراء التحقق الإحصائي باستخدام التحقق المتقاطع من خمسة أضعاف مع خمس عمليات حسابية مكررة، وتم التعبير عن جميع النتائج المبلغ عنها كمتوسط ± انحراف معياري. تشير التحليلات المقارنة إلى أن الأنظمة المعتمدة على MgO تظهر سلوك تشتت محسنا نسبيا، واستقرار حراري، وخصائص تعزيز ميكانيكية، في حين تظهر الأنظمة المعتمدة على CuO أداء وظيفيا محسنا، خاصة في تطبيقات الإنتاج المتعلقة بالتوصيلية. بشكل عام، تبرز النتائج أهمية اختيار الرابط في التأثير على سلوك البوليمر النانوي المركب ضمن إطار تحليلي منظم وحسابي ومقارن.

المقدمة

كما أصبحت المركبات النانوية البوليمرية فئة واعدة من المواد المتقدمة بسبب خفتها وخصائصها الميكانيكية والحرارية والوظيفية المحسنة¹. استخدام هذه المواد في مجالات الطيران، والسيارات، والإلكترونيات، والأجهزة الطبية الحيوية، والطلاءات الواقية استلزم بحثا متواصلا في تحسين أداء المواد وتطبيقات الإنتاج في المتانة². أكدت الاتجاهات الحالية في تكنولوجيا النانو أن تحسين أداء المركبات النانوية البوليمرية يتأثر بشكل كبير بتشتت الجسيمات النانوية، والالتصاق بين الوجوه، وتوافق المصفوفات والرابط.³. طبيعة الحشوات النانوية واختيار الروابط المناسبة تحدد العلاقات الوجوهية في النظام المركب⁴.

تستخدم جسيمات أكسيد المعادن النانوية على نطاق واسع لتعزيز في البوليمرات بسبب صلابتها العالية، واستقرارها الحراري، ومقاومتها الكيميائية، وخصائصها متعددة الوظائف⁵. لقد وجد أن الجسيمات النانوية مثل MgO، CuO، ZnO، وTiO 2 تعزز القوة والمقاومة الحرارية والخصائص الكهربائية، بالإضافة إلى النشاط المضاد للميكروبات⁶. لا يزال تحقيق تشتت الجسيمات النانوية عالية والروابط السطحية صعبة بسبب التجمع وعدم التوافق بين الجسيمات النانوية غير العضوية والبوليمرات العضوية⁷.

تم التغلب على القيود على التشتت والواجهة في المركبات النانوية البوليمرية من خلال إدخال طرق بمساعدة الرابط⁸. تعمل هذه الروابط كعوامل تقاطعية، حيث تثبت الجسيمات النانوية، وتعزز الالتصاق بين الأطوار، وتنقل الإجهاد عند الواجهة بين المصفوفة^{والمالئ.} تعد المشابك مهمة لتعزيز السلامة الهيكلية والأداء الوظيفي للمركبات النانوية. من خلال تقليل التجمع وتوزيع متجانس للجسيمات النانوية، يعزز الرابط الاستقرار بين الوجوه ويحسن الأداء الميكانيكي والوظيفي العام للمركب البوليمري^{النانوي 10}.

لقد جذبت رابطات أكسيد المغنيسيوم وأكسيد النحاس اهتماما متزايدا بسبب خصائصها الفيزيائية الكيميائية المميزة¹¹. تتميز رابطات MgO بثبات حراري عالي، وذوبان كيميائي منخفض، ودعم ميكانيكي. لذا، فهي مناسبة للتعامل مع الأحمال ودرجات الحرارة العالية¹². رابطات CuO أفضل في تحسين التوصيل الكهربائي، والنشاط المضاد للميكروبات، وتفاعل السطح، مما يسهل تحسينات متعددة الوظائف في المركبات النانوية البوليمرية¹³.

في العلوم والصناعة، أحد أهم معايير التصميم في تطوير المركبات النانوية البوليمرية هو اختيار المادة¹⁴. تمكن أداء، وقابلية المعالجة، وقابلية التوسع في التصنيع الصناعي من تخصيص العملية من خلال اختيار المجلد المناسب ل MgO أو CuO¹⁵. يوفر الفهم المنهجي لسلوك المركبات النانوية المدعومة بالرابطات أساسا قويا لتطوير مواد متقدمة للاستخدام في الهندسة من الجيل القادم¹⁶.

توفر الدراسة الحالية تقييما تحليليا مقارنا لتأثير رابطات MgO وCuO في أنظمة النانو المركب البوليمري، مع تركيز خاص على أدوارها المحتملة في تشتت الجسيمات النانوية، والتفاعلات بين الوجوه، وآليات نقل الحمل داخل مصفوفة البوليمر. يسلط التحليل الضوء على السلوك المختلف لكل مادة لكلا الرابطين فيما يتعلق باتجاهات التعزيز المركب والأداء متعدد الوظائف. توفر الدراسة أيضا إطارا تفسيريا يربط بين التفاعلات الوجوية المدعومة بالروابط والخصائص الميكانيكية والحرارية والوظيفية لمركبات أكسيد البوليمر والمعادن النانوي. يوفر هذا التحليل المقارنة رؤى نوعية وموجهة نحو التطبيق حول كيفية تأثير روابط MgO وCuO على سلوك المركبات المركبة، مما يساعد في اختيار المواد للتطبيقات الهندسية المركزة. إرشادات لاختيار الرابط بناء على التطبيقات: يعتمد البحث المقترح على نتائج تجريبية وتحليلية من مقترحات تصميم عملية لاختيار روابط MgO أو CuO لتطبيقات هيكلية أو متعددة الوظائف مستهدفة، مما يسهل تطوير المركبات النانوية البوليمرية القابلة للتوسع والأداء المحسن.

درست أبحاث البوليمرات النانوية المركبة بشكل موسع الحشوات المعتمدة على MgO وCuO، لكن تأثيراتها على تشتت الجسيمات النانوية بمساعدة الرابط، والتفاعل بين الأوجه، والاستقرار الحراري، والتعزيز الميكانيكي، وسلوك الأداء الوظيفي ضمن مصفوفة بوليمر محددة غير معروفة. تركز معظم الأبحاث على أنظمة الأكسيد المعزولة، أو التطبيقات الخاصة بالتطبيقات، أو تركيبات المواد المستقلة تجريبيا، مما يجعل مقارنة الأنظمة القائمة على MgO و CuO صعبة. قارنت دراسات قليلة هذه الروابط في المركبات النانوية القائمة على كحول البولي فينيل (PVA) باستخدام تقنية حسابية ومؤشر أداء مشتركة. لذا، قارن هذا العمل سلوك أنظمة النانوية المركبة المدمجة في MgO وCuO باستخدام نمذجة مؤشر الأداء المعادي، وتقييم الميزات المقارنة، وتحليل التصنيف الخاص بالمجلدات. بدلا من خلق تفوق أداء مؤكد عالميا عبر جميع أنظمة البوليمر، يستكشف البحث كيف تؤثر رابطات MgO وCuO على اتجاهات الأداء الهيكلية والحرارية والميكانيكية والمرتبطة بالتوصيلية والوظيفية في المركب النانوي المختار من PVA لتطبيقات الإنتاج.

لقد حظيت الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والكهربائية والبيئية المحسنة لمركبات أكسيد البوليمر والمعادن النانوية بالاهتمام الكبير. توفر هياكل أكسيد المعادن النانوية في شبكات البوليمر مواد متعددة الوظائف لتخزين الطاقة، ومعالجة البيئة، والحفاظ على الطب الحيوي، والصناعة، والحفظ التاريخي. تظهر الدراسات الحديثة أن جسيمات وبوليمرات أكسيد المعادن غير العضوية تنتج مركبات نانوية ذات هياكل مختلفة وخصائص فيزيائية كيميائية محسنة. التوليف والوظيفية السطحية والتوصيف هي المواضيع الرئيسية. تظهر هذه التطورات كيف يمكن إدارة تشتت الجسيمات النانوية لتحسين الأداء الحراري والميكانيكي والوظيفي للتقنيات الحديثة¹⁷.

يعد التكامل الدقيق لبلورات أكسيد المعادن النانوية في مصفوفة البوليمر أمرا أساسيا لتحسين الخصائص الحرارية والكهربائية والكيميائية. يشير نمذجة توصيف تحسين المرابط متعددة الوسائط (M-MBOCM) إلى إطار تحليلي مقارن تم تطويره لتقييم تفاعلات الرابط-البوليمر-الجسيمات النانوية عبر مجالات أداء متعددة، بما في ذلك الخصائص الهيكلية والميكانيكية والحرارية والوظيفية. في هذه الدراسة، يدمج الإطار التحليل المعتمد على مجموعات البيانات، ومؤشرات الأداء القائمة على المعادلات، والتقييم المقارن الحسابي لفحص السلوك النسبي لأنظمة النانو المركب البوليمري المعتمدة على MgO- وCuO. تشير الاتجاهات المقارنة النمذجة إلى وجود تباين ثابت نسبيا في الأداء عبر مجالات خصائص المواد المحللة، مما يدعم تطبيق استراتيجيات تصميم المركبات النانوية المدعومة بالرابط لتطبيقات هندسية محتملة مثل الأنظمة الهيكلية الخفيفة الوزن والمواد الوظيفية المرتبطة بالطاقة¹⁸.

تظهر البنى النانوية لأكسيد المعادن التي تم إنشاؤها باستخدام طريقة بيشيني سول-جل قدرة امتصاص عالية ومساحة سطح عالية لإزالة الزن(II). يؤثر تطور الطور بشكل كبير على حجم البلورات وكفاءة الامتصاص. تظهر هذه المواد قدرات امتصاص عفوية وقابلة لإعادة الاستخدام وفعالة للغاية، مما يجعلها خيارا اقتصاديا لمعالجة تلوث المياه¹⁹.

تتميز مركبات أكسيد المعادن البوليمرية (PMCs) بخصائص متعددة الوظائف تتجاوز تلك الموجودة في البوليمرات النقية، وبالتالي يمكن أن تجد تطبيقات في صناعات التعبئة والتغليف، والطيران، والإلكترونيات، والطب الحيوي، والبناء. هي خفيفة الوزن، قابلة للضبط، ورخيصة التكلفة، مما يعزز إمكانيات الصناعة. تم الاعتراف بدمج استراتيجيات هندسة المواد القائمة على MgO وCuO مع تصميم المركب النانوي البوليمري كنهج مهم لتحسين الأداء الهيكلي، وتحسين الخصائص الوظيفية، وقابلية التوسع المحتملة لأنظمة المركبات المدعمة بأكسيد المعادن²⁰.

الخلطات البوليمرية القابلة للتحلل الحيوي والمعززة بجسيمات CuO النانوية تظهر خصائص مضادة للميكروبات والكهرباء ومتوافقة حيويا محسنا. تؤكد الدراسات الطيفية والهيكلية تفاعلات قوية بين البوليمر والجسيمات النانوية، بينما تكشف الطيفيات بصرية وموصلية عن تحسين نقل الشحنة. لقد ثبت أن المركبات النانوية تظهر تثبيط بكتيريا جيدا وقدرة على بقاء الخلايا، وبالتالي يمكن استخدامها في التغليف المستدام والتطبيقات الطبية الحيوية²¹. أظهرت الحشوات Ag-CuO/rGO فعالية تطور الطور القطبي ثنائي الأبعاد والتوصيل الكهربائي للمركبات النانوية PVDF بشكل فعال. تطوير الشبكات الموصلة يعزز بشكل كبير خصائص العازلة مع تقليل فقدان الطاقة. أظهرت هذه المركبات النانوية أداء جيدا في البطاريات القائمة على البوليمرات والأجهزة الإلكترونية المرنة التي تتطلب ثوابت عازلة عالية وموصلية. أصبح طلاء البوليمر لجزيئات أكسيد المعادن النانوية وسيلة فعالة لحماية التراث الثقافي. توفر المواد النانوية مثل TiO2، ZnO، CuO، وMgO خصائص مثل التنظيف الذاتي، والمضادات الحيوية، والتوحيد. يؤكد الباحثون الحديثون على ضرورة وصف نقل الجسيمات النانوية والأهمية البيئية لضمان ممارسات حفظ آمنة ومستدامة. لقد عزز استخدام حشوات أكسيد المعادن النانوية بشكل كبير الخصائص التريبولوكلية للمركبات النانوية البوليمرية. الأكثر استخداما هي الألومينا وأكسيد الزنك وأكسيد التيتانيوم، والتي تظهر احتكاكا وتآكل أقل في ظروف التشغيل المختلفة. تسلط كل هذه التحسينات الضوء على أهمية استخدام النانوفيلر في تطبيقات الطيران والسيارات.

تزداد شعبية المركبات النانوية البوليمركية المقززة بأكسيد المعادن بشكل متزايد، ومع ذلك لا تزال التأثيرات المقارنة لرابطات MgO وCuO على سلوك التشتت، والتلامس بين الوجوه، والأداء الخاص بالتطبيق غير مفهومة بشكل جيد. فقط عدد قليل من الدراسات قارنت بشكل مباشر كيف تؤثر المعلمات الفيزيائية-الكيميائية الخاصة بالرابطات على الأداء البنيوي والحراري والميكانيكي والوظيفي لأنظمة الأكسيد أو التطبيقات الخاصة بالتطبيقات. إجراءات اختيار الملفات للتطبيقات الهندسية المركزة أيضا صعبة التقييم دون إطار مقارنة متسق يدمج أدلة الأدبيات، والأبحاث القائمة على مجموعات البيانات، وتقييم مؤشرات الأداء. تتم مقارنة أنظمة الروابط المعتمدة على MgO وCuO تحليليا لإيجاد أنماط أداء عبر مجالات خصائص المواد المختلفة في هذا العمل.

البروتوكول

تحضير العينة ودمج الرابط

لإجراء مقارنات بين أنظمة الربط المعتمدة على MgO وCuO، تم إعداد عينات من بوليمر البولي فاينيل الكحول (PVA) من المركبات النانوية المركبة. تم الحصول على محلول بوليمري متجانس عن طريق إذابة 5 جرام من PVA في 100 مل من الماء المقطر تحت التحريك المغناطيسي المستمر عند 600 دورة في الدقيقة و70 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة. عند نسب تحميل رابطة 1 وزن، 3 وزن، و5 وزن، تم دمج الجسيمات النانوية MgO وCuO ذات متوسط حجم الجسيمات 40–60 نانومتر بشكل مستقل في مصفوفة البوليمر. أدى الفحص فوق الصوتي عند 40 كيلوهرتز و200 واط لمدة 30 دقيقة إلى تقليل تجمع الجسيمات النانوية وتحسين تجانس التشتت. بعد صب المعلقات في قوالب تفلون وتجفيفها عند 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة، تم تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة لصنع أفلام نانوية مركبة متجانسة لتطبيقات الإنتاج. . PVA (الوزن الجزيئي: 85,000–124,000 جرام/مول، 99٪ متحلل) كان مصفوفة البوليمر. استخدم تقييم الروابط المقارن جسيمات نانوية MgO وCuO بأحجام جسيمات نموذجية تتراوح بين 40–60 نانومتر ونقاء أعلى من 99٪. قدرت نسبة الجاذبية تركيزات رابطة 1 وزن، 3 وزن، و5 وزن وزن نسبة إلى كتلة البوليمر. تم صب أنظمة تعليق النانو المركب في قوالب تفلون بأبعاد 100 مم × 100 مم × 2 مم، مما أدى إلى إنتاج أفلام بنطاق سماكة يتراوح بين 1.5–2.0 مم. تم تكييف العينات في درجة حرارة الغرفة لمدة 48 ساعة بعد التجفيف قبل التوصيف والتحليل. تم تطبيق التقييم الإحصائي المقارن والتحقق على خمس دفعات عينات مكررة.

التوصيف الميكانيكي والحراري والشكلي

أجريت اختبارات الشد تحت معايير ASTM D638 تقييم خصائص التعزيز ونقل الحمل للمركبات النانوية. تم استخدام التحليل الحراري الجاذبي (TGA) لتحليل الاستقرار الحراري عند 30–600 درجة مئوية عند 10 °م/دقيقة بالنيتروجين. لتقييم سلوك الانتقال الحراري، أجريت قياسات DSC من 30 إلى 200 درجة مئوية. تم استخدام SEM لتقييم توزيع الوجوه بين مصفوفة البوليمرات واتجاهات التجمع فيما يتعلق بالشكل وتشتت الجسيمات النانوية. تم إجراء اختبار الشد باستخدام آلة اختبار شاملة Instron 3365 وفقا لمعايير ASTM D638، بأبعاد العينة 100 مم × 15 مم × 2 مم وسرعة رأس عرضي 5 مم/دقيقة. تم استخدام TGA/DTG (PerkinElmer TGA 4000) لتحليل الاستقرار الحراري من 30 إلى 900 درجة مئوية عند 10 °C/دقيقة في بيئة النيتروجين (50 مل/دقيقة). من 30–200 درجة مئوية عند 10 درجات مئوية/دقيقة، تم أخذ قراءات DSC من TA Instruments Q2000. تم استخدام SEM (JEOL JSM-7610F) لتوصيف العينات بعد طلاء الذهب الرش. تم قياس التوصيلية الكهربائية باستخدام مسبار من أربع نقاط، وتم تقييم الأداء المضاد للبكتيريا باستخدام إطار مقارن مدعوم بمجموعة البيانات، وهو تحليل تقليل وكفاءة التخفيض الطبيعي.

مصدر مجموعة البيانات وسير العمل الحسابي

تم إجراء التحليل المقارن الحسابي باستخدام مجموعة بيانات أكسيد المعادن كمصدر بيانات خارجي رئيسي لتقييم سلوك خصائص المواد المرتبطة ب MgO وCuO. تضمنت مجموعة البيانات 120 ملاحظة لخصائص المواد مرتبطة بمواصفات أداء هيكلية وحرارية وميكانيكية وكهربائية ووظيفية. تم تنفيذ تقييم الأداء المقارن باستخدام بايثون 3.11 مع مكتبات NumPy وPandas وSciPy وMatplotlib للمعالجة المسبقة، والحوسبة الإحصائية، وتحليل مؤشرات الأداء المعتمدة على المعادلات، وتوليد الأشكال. دمج سير العمل التحليلي تحليل التشتت والتوحيد، وفهرسة الاستقرار الحراري، وتقييم الأداء الميكانيكي-الحراري، ومقارنة الخصائص الوظيفية باستخدام التفسير الحسابي المعتمد على مجموعات البيانات.

التحليل الإحصائي والتحقق من الصحة

للتكرار وتقليل التغير المعتمد على التقسيم، تم استخدام التحقق المتقاطع بخمس مرات مع خمس عمليات حسابية مختلفة للتحقق الإحصائي. تعرض النتائج كمتوسط ± انحراف معياري (SD). تم استخدام اختبار t مستقل من عينتين لمقارنة الأنظمة المعتمدة على MgO وCuO، مع دلالة إحصائية محددة عند p < 0.05. تم التحقق من المنهجية الحسابية من خلال مقارنة الأداء الطبيعية وتحليل الاتساق عبر نطاقات تركيز الرابطات.

إطار الأداء المقارن

يتم دمج تخليق المركب النانوي للبوليمر، دمج الجسيمات النانوية بمساعدة الرابط، تحليل التوصيف، والتفسير الحاسوبي للأنظمة القائمة على MgO- وCuO ضمن الإطار. يقيم مسار MgO الخصائص الهيكلية والحرارية والميكانيكية، بينما يقيم مسار CuO التوصيلية والعمل المضاد للبكتيريا. يتم مقارنة مخرجات كلتا الطريقتين لتحديد اتجاهات الأداء الخاصة بالملف وتوافق المواد الموجهة للتطبيق.

مؤشر تعزيز الأداء الميكانيكي-الحراري (MTPI) محسوب بواسطة المعادلة 1

(1)

المصطلح σ_c يشير إلى قوة الشد للمركب، بينما σ_p هو قوة الشد للبوليمر النظيف. تشير معامل T_d,c إلى درجة حرارة التحلل للمركب وT_d,p إلى درجة حرارة مصفوفة البوليمر. يمثل المتغير X_c درجة تبلور المركب، وX_p هو تبلور البوليمر الأساسي. تحدد عوامل الوزن α و β و γ المساهمة النسبية للقوة والاستقرار الحراري والتبلورية على التوالي، مع α + β + γ = 1. بالنسبة ل MTPI في المعادلة (1)، تم تعيين عوامل الوزن α = 0.40، β = 0.35، و γ = 0.25، مما يمثل التركيز النسبي على قوة الشد، والاستقرار الحراري، والتبلور على التوالي، مع α + β + γ = 1.

بالنسبة ل MTPI، تم تعيين معاملات الوزن α = 0.45، β = 0.35، و γ = 0.20، مما يمثل المساهمات النسبية لقوة الشد، والاستقرار الحراري، والتبلور على التوالي. بالنسبة لمؤشر الأداء الوظيفي (FPI)، تم تعريف معلمات الوزن بأنها δ = 0.60 للتوصيل الكهربائي و = 0.40 لكفاءة تقليل المضادات الحيوية. تم تعيين عامل كفاءة التشتت المستخدم في المعادلة (4) على أنه η = 0.85 لأنظمة MgO و η = 0.72 لأنظمة CuO بناء على تحليل التشتت والاتساق المطبع. ثابت ثابت تعديل معالجة السطح في المعادلة (5) عند k_s = 1.15 بعد مقياس مقارنة بالتفاعل بين الوجه. في إطار عمل الانتباه متعدد الرؤوس، تم الحفاظ على معدل التعلم عند 0.001، وعدد رؤوس الانتباه عند H = 4، وعدد فترات التدريب على 100، وقيمة البذور العشوائية ثابتة عند 42 لإعادة الإنتاج. تم إجراء تحليل الحساسية عن طريق تغيير كل معامل وزن ضمن ±10٪ من قيمته الأساسية، مما أدى إلى أقل من 5٪ انحراف في درجات الأداء المقارنة النهائية عبر خمس عمليات حسابية مكررة.

مؤشر الأداء الوظيفي للمركبات النانوية القائمة على CuO

معرفة بالمعادلة 2

(2)

يمثل المتغير σ_e التوصيل الكهربائي للمركب النانوي القائم على CuO، بينما σ_e,p هو توصيل البوليمر النقي. يشير مصطلح A_r إلى كفاءة الاختزال المضادة للميكروبات، وA_r,max هي القيمة القصوى التي تلاحظها. يرمز إلى معامل الاحتكاك ب μ، حيث μ_{الحد الأقصى} هو القيمة المرجعية القصوى. تتحكم معلمات الوزن δ و، ζ تأثير السلوك الكهربائي والمضاد للميكروبات والتريبولوجي على الأداء الوظيفي العام. بالنسبة لمؤشر الأداء الوظيفي (FPI) في المعادلة (2)، تم تعيين المعلمات على النحو التالي δ = 0.40، ∈ = 0.35، و ζ = 0.25، مما يتوافق مع التوصيلية الكهربائية، وكفاءة تقليل مضادات الميكروبات، والاستجابة التريبولوجية.

تم تقديم مؤشر الأداء الوظيفي (FPI) كمعامل تحليلي مقارن محد لتقييم السلوك الوظيفي النسبي للمركبات البوليمركية النانوية القائمة على CuO ضمن الإطار الحسابي المعتمد. يدمج المؤشر التوصيلية الطبيعية وواصفات أداء مضادات الميكروبات بعد الحد الأدنى إلى الحد الأقصى، لتوفير درجة وظيفية موحدة تتراوح من 0 إلى 1. تم تحديد معاملات الوزن من خلال تحليل الحساسية المقارن وتقييم المساهمات المدعومة من الأدبيات، حيث تم تعيين معامل مساهمة التوصيل δ = 0.60 ومعامل أداء مضادات الميكروبات على أنه = 0.40.

نسبة أداء المجلد المقارنة

CBPR) يعرف بالمعادلة 3

مصطلح MTPI_MgO يتوافق مع مؤشر الأداء الميكانيكي-الحراري لمركبات البوليمرات النانوية المقوى ب MgO، بينما يشير FPI_CuO إلى مؤشر الأداء الوظيفي للأنظمة المعززة بالنحنة. الملف التكميلي 1 يظهر تقييم تشتت الجسيمات النانوية المعتمدة على رابط MgO/CuO.

يقيس الملف التكميلي 1 جودة تشتت جسيمات أكسيد المعادن النانوية في شبكة البوليمرات باستخدام روابط MgO أو CuO. يتم حساب طاقة الواجهة التفاعلية لكل جسيم نانوي مع البوليمر، ويتم مقارنة التشابه الثنائي بمساعدة دالة أسية. مقياس جودة التشتت هو التجانس، وتكبير المقياس الخاص بالرابطة يعكس التشتت العالي الذي يتحقق مع روابط MgO. يتم الآن حساب مؤشر جودة التشتت d_q مباشرة من مصفوفة تشابه الطاقة بين الأوجه المزدوجة المطبعة، والتي تعبر عنها كالتالي:

(4),

حيث .

تم إجراء تقييم التوصيلية الكهربائية باستخدام إطار تحليلي مقارن قائم على المجسات بأربع نقاط مدعوم بواصفات توصيل مطبعة مستخرجة من مجموعة بيانات أكسيد المعادن وتحليل مؤشر الأداء الحسابي المقابل. تم تفسير النشاط المضاد للميكروبات باستخدام واصفات الكفاءة التخفيضية المقارنة المستمدة من اتجاهات خصائص الأكسيد المدعومة من الأدبيات وتوسيع تحليلي محد ضمن إطار عمل قائم على مجموعات البيانات.

تعزيز فعال لمعامل البناء على تعزيز الجسيمات النانوية

E_c تم التعامل معه بالمعادلة 5

في هذه المعادلة، _Em يرمز إلى معامل مصفوفة البوليمر. مصطلح En يتوافق مع معامل المرونة لجسيمات أكسيد المعادن النانوية. يرمز إلى نسبة حجم الجسيمات النانوية ب ، وهو عامل كفاءة التشتت الذي يأخذ في الاعتبار جودة توزيع الجسيمات النانوية والالتصاق الداخلي بين البوليمر والجسيمات النانوية. عامل كفاءة التشتت η في المعادلة (4) كان ثابتا عند 0.85 للأنظمة المعتمدة على MgO و0.78 للأنظمة المعتمدة على CuO، استنادا إلى تجانس التشتت النسبي المفترض وكفاءة تفاعل المصفوفة-الرابط.

نموذج تعزيز قوة الربط البيني

τ_i يعتمد على المعادلة 6

هنا، τ₀ هي القوة الداخلية الجوهرية لواجهة البوليمر-الحشو غير المعالجة. المعامل k_s هو ثابت كفاءة معالجة السطح، وA_s يرمز إلى المساحة السطحية المحددة للجسيمات النانوية. يمثل نسبة حجم الجسيمات النانوية ب . تسلط هذه المعادلة الضوء على دور تعديل السطح في تعزيز نقل الحمل عبر الواجهة.

مؤشر تحسين الاستقرار الحراري

T_d,c المعرفة بالمعادلة 7

T_d,m تمثل درجة حرارة التحلل لمصفوفة البوليمر النظيفة. يعكس الثابت تأثير الحاجز الحراري للجسيمات النانوية، وξ هو معامل تناسق التشتت الذي يفسر توزيع الجسيمات النانوية المتجانس. المتغير يمثل مرة أخرى نسبة حجم الجسيمات النانوية.

تم التحكم في توزيع الجسيمات النانوية بشكل منتظم عبر حجم فيلم البوليمر باستخدام عملية التحريك المغناطيسي والمجسات والموجات فوق الصوتية المجمعة أثناء تحضير العينة. في البداية، خضع محلول البوليمر للتحريك المغناطيسي المستمر عند 600 دورة في الدقيقة و70 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة لضمان ذوبان متجانس لمصفوفة PVA. لاحقا، تم دمج جسيمات MgO وCuO النانوية تدريجيا في محلول البوليمر وتشتتهما باستخدام الأشعة فوق الصوتية المجسية عند 40 كيلوهرتز و200 واط لمدة 30 دقيقة لتقليل تجمع الجسيمات النانوية وتحسين التوزيع بين الأوجه داخل المصفوفة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحفاظ على التعليق تحت التحريك المستمر ومنخفض السرعة أثناء إضافة الجسيمات النانوية لمنع التجمع الموضعي. ثم تم صب الخلطات النانوية المركبة الناتجة في قوالب تفلون تلتها تجفيف متحكم به عند 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتقليل فصل الطور الناتج عن الترسبات.

عامل تعزيز الخصائص الوظيفية

F_p محسوبة بالمعادلة 8

مصطلح σ_e يمثل التوصيل الكهربائي للمركب النانوي، بينما σ_e,m هو موصلية البوليمر الأساسي. يشير المتغير _{A r} إلى كفاءة تقليل مضادات الميكروبات، وA_r,max هو القيمة المرجعية القصوى له. يرمز للاستجابة المغناطيسية للمركب ب M_c، مع M_max كقيمة قصوى قابلة لتحقيقه. تحدد معاملات الوزن μ₁ و μ₂ و μ₃ الأهمية النسبية. يمثل معامل FP مساهمة الخاصية الوظيفية المعتدلة التي تم الحصول عليها من الواصفات الفردية المتعلقة بالتوصيلية ومضادات الميكروبات، بينما يمثل مؤشر الأداء الوظيفي (FPI) الدرجة التحليلية المقارنة النهائية المتكاملة المستمدة بعد تركيبة موزونة من مكونات الخاصية الوظيفية المعادية. الملف التكميلي 2 يوضح نموذج الانتباه لتفاعل المرابط-المصفوفات متعدد الرؤوس.

في الملف التكميلي 2، يستخدم آلية انتباه متعددة الرؤوس لنمذجة التفاعلات المعقدة بين المرابطات، والجسيمات النانوية، ومصفوفة البوليمر. يتم تحويل الميزات الهيكلية والميكانيكية والوظيفية إلى استعلام، وتمثيلات قيم مفتاحية. تكتشف رؤوس الانتباه المتوازي أنماط تفاعل مختلفة، وتنتج دمجها تمثيلا مدمجا للتأثير العام لروابط MgO أو CuO. الملف التكميلي 3 يوضح توقع العقار وتصنيف التطبيق.

يقدر الملف التكميلي 3 منطقة التطبيق السائدة للمركب النانوي بناء على خصائص التفاعلات المندمجة. يتم حساب ومقارنة الدرجات المرجحة للخصائص الميكانيكية والحرارية والوظيفية.

بالنسبة لنموذج الانتباه متعدد الرؤوس، تعرف مصفوفة الميزات باستخدام واصفات القوة الميكانيكية المعادية، والاستقرار الحراري، والتوصيلية الكهربائية، وجودة التشتت، حيث d = 4. عدد رؤوس الانتباه ثابت ك H = 4، مع كل بعد رأس . يتم تهيئة مصفوفات الإسقاط W_Q وW_K وW_V باستخدام تهيئة Xavier الموحدة وتحسينها من خلال تدريب تحت إشراف مع محسن آدم (معدل التعلم = 0.001، 100 عصر، حجم الدفعة = 32). يتم التحقق من صحة التمثيل المدمج باستخدام التحقق المتقاطع من 5 أضعاف على مجموعة بيانات أداء المجلد المقارن. لتصنيف التطبيقات، تعرف متجهات الوزن e صراحة ك ، ، وتتوافق مع التأثير النسبي للميزات الهيكلية والحرارية والوظيفية والتشتت.

النتائج

تظهر المركبات النانوية البوليمركية المقززة بأكسيد المعادن خصائص ميكانيكية وحرارية ووظيفية متفوقة لتطبيقات الإنتاج. اختيار الرابط هو اعتبار مهم لتشتت الجسيمات النانوية وسلوك الوجوه البيني. تمت مقارنة رابطات MgO و CuO في هذه الدراسة لتوضيح تأثيرها على أداء المركبات وملاءمتها لتطبيقات محددة.

مجموعة البيانات

مجموعة بيانات أكسيد المعادن هي مجموعة محفوظة من بيانات المواد الحاسوبية التي أنشأتها مجموعة SAID لتسهيل نمذجة أكاسيد المعادن عبر التعلم الآلي (MLP)...

المناقشة

تمت دراسة تأثير رابطات MgO و CuO على تعزيز جسيمات أكسيد المعادن النانوية في المركبات البوليمرية النانوية بشكل موسع. يؤثر اختيار الرابط بشكل كبير على تشتت الجسيمات النانوية، والالتصاق بين الأوجه، وسلوك المركبات. تتميز روابط MgO بتوحيد عالي التشتت، وروابط تقاطعية جيدة، وقوة ميكانيكية عالية، واستقرار حراري جيد، مما يجعلها مناسبة جدا للتطبيقات التي تتطلب هياكل متطلبة. من ناحية أخرى، تم تعزيز الخصائص الوظيفية، بما في ذلك التوصيل الكهربائي والنشاط المضاد للميكروبات، لروابط CuO بشكل كبير لأنها ...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
Magnesium oxide (MgO) binder		1 wt%, 3 wt%, 5 wt%	Comparative mechanical and thermal performance evaluation
Copper oxide (CuO) binder		1 wt%, 3 wt%, 5 wt%	Functional and conductivity performance evaluation
Dataset source		Metal-Oxide Dataset (n = 120 observations)	Input data for comparative analysis
Programming environment		Python 3.11	Numerical implementation and analysis
Numerical library		NumPy v1.26.4	Matrix operations and equation computation
Data preprocessing tool		Pandas v2.2.1	Data cleaning and feature extraction
Statistical library		SciPy v1.12.0	Statistical validation and hypothesis testing
Visualization software		Matplotlib v3.8.3	Plot generation and figure preparation
Attention model parameter		H = 4 heads, 100 epochs, learning rate = 0.001	Binder–matrix interaction modeling
Validation framework		5-fold cross-validation, 5 replicate runs	Reproducibility and performance validation