In the first part of this work, silica nanoparticles and alternative or additional filler phases were incorporated into hydrogels based on the temperature-sensitive poly(N- isopropylacrylamide) (PNIPAm). Nano-SiO2-filled porous PNIPAm hydrogels with an enhanced force response (up to 100 g) to temperature stimuli were obtained by increasing several times the pore wall thickness, which was achieved via reducing the solvent (porogen) content during the gels' cryo-synthesis. A similar optimization of the force response was also carried out for analogous gels reinforced by nano-TiO2, in which the reinforcing effect of the filler is weaker. Partial intercalation of amylopectin starch into divinyl-crosslinked bulk as well as porous PNIPAm gels several times improved their extensibility. In case of starch-rich bulk gels, a very fast and extensive one-way deswelling in response to increased temperature was achieved (re-swelling upon cooling is much slower), which is attributed to specific properties of the starch-PNIPAm interface. In doubly-filled bulk PNIPAm/nano-SiO2/starch gels, a very strong synergic reinforcing effect of both fillers is observed, due to specific hydrogen bridging between the three phases. Highly porous cryogels based on PNIPAm/nano- SiO2/starch displayed a highly improved extensibility...

Tato dizertační práce se zabývá přípravou a charakterizací nanokompozitních polymerních pěn se zaměřením na strukturu materiálu a aplikaci v 3D tisku. Cílem práce je studium materiálu s vysoce organizovanou hierarchickou strukturou – od nanoměřítka, přes mikroskopickou strukturu po makroskopická tělesa. V první části práce byly řešeny strukturní vlastnosti nanokompozitů připravených z polymerních skel roztokovou metodou. Byl hledán obecně platný trend, pomocí kterého by bylo možné předpovídat disperzi nanočástic v kompozitu. Ukázalo se, že řídícím faktorem může být závislost na rozdílu parametrů rozpustnosti polymeru a rozpouštědla. Tento poznatek byl ověřen na systémech obsahujících různé nanočástice, polymery a rozpouštědla. Se znalostí principů pro řízení struktury nanokompozitů byly připraveny nanokompozity impaktního polystyrenu plněného nanosilikou. Tyto nanokompozity posloužily jako základ pro přípravu polymerních nakompozitních pěn. Porézní struktury bylo dosaženo pomocí termálního chemického nadouvadla azodikarbonamidu. Z těchto materiálů byly extrudovány filamenty, které byly následně zpracovány pomocí 3D tisku do požadovaných tvarů a vypěněny. Výsledkem byla hierarchická struktura s organizací struktury od nano (organizace nanočástic), přes mikro (struktura dvoukomponentní polymerní směsi a struktura pěny) po makroměřítko (struktura pěny a design 3D tisku). Byl pozorován vliv nanočástic na strukturu a termální a mechanické vlastnosti polymerních pěn. Nanočástice fungují při tvorbě pěny jako nukleační činidlo, na jejich povrchu snadno dochází k tvorbě pórů, takže s obsahem nanočástic v materiálu bylo vytvořeno více menších pórů, což napomohlo k homogenitě pěnové struktury. Přítomnost nanočástic změnila povrchovou energii zrn nadouvadla, díky čemuž docházelo k jeho rozkladu za nižích teplot a pěnění bylo i rychlejší. Nanočástice mají zároveň potenciál vyztužit stěny pěny a zlepšit tak mechanické vlastnosti. 3D tisk je oblíbená a hojně rozšířená technika, díky své jednoduchosti je v mnoha laboratořích a zkušebnách, proto roste poptávka po filamentech se speciálními vlastnostmi. Materiál vyvinutý v této dizertační práci je v podstatě hotovým a charakterizovaným produktem, který by mohl přispět k uspokojení této pohledávky.

Magneticky řízené samo-uspořádávání v polymerních nanokompozitech je studováno v této dizertační práci. Strukturování polymerních nanokompozitů pomocí relativně slabých magnetických polí (B=0-50 mT) bylo prokázáno jako praktická metoda pro kontrolu jejích nano a mikrostruktury. Vliv intenzity magnetického pole, množství nanočástic, viskozity a času uspořádávání na výslednou strukturu byl studován v různých systémech jako fotopolymer, polyuretan nebo koloidně dispergované nanočástice v acetonu s malým množstvím rozpuštěného polymeru. Samo-uspořádané struktury – bez aplikace vnějšího magnetického pole vykazují vícekrokovou agregaci nanočástic do uskupení s komplexním tvarem. Magnetické interakce byly označené jako odpovědné za agregaci nanočástic v samo-uspořádaných systémech pomocí výpočtů energii mezi-částicových interakcí. S rostoucím magnetickým polem, magnetické nanočástice jsou rychle uspořádané do jednorozměrných částicových řetězů s vysokým aspektním poměrem a homogenní orientaci v polymerní matrici. S prodluženým časem uspořádaní, tyto struktury postupně rostou z malých submikrometrových struktur do velkých mikroskopických super struktur. Táto metoda vykazuje velký potenciál pro kontrolovanou přípravu široké škály struktur v polymerních nanokompozitech vhodných pro technologické aplikace a také pro fundamentální studie. Magneticky uspořádané polymerní nanokompozity vykazují značnou směrovou anisotropii tuhosti kompozitu nad jeho skelným přechodem přičemž, pod skelným přechodem systému není pozorován žádný efekt. Podélně orientované struktury vykazují větší příspěvek k tuhosti kompozitů. Efektivnost vyztužení vykazuje teplotně závislý průběh a maximum je pozorováno přibližně 60 °C nad skelným přechodem. Struktura magneticky uspořádaného polymerního nanokompozitu byla popsána vícero-úrovňovým hierarchickým modelem materiálu. Mikromechanika byla využitá k popisu směrově závislého vyztužení polymerních nanokompozitů a k popisu teplotně závislé tuhosti hybridních struktur složených z nanočástic a polymeru. Schopnost nést napětí, deformovat se a nenulová tuhost hybridních struktur je odpovědná za vyztužení polymerních nanokompozitů. Přítomnost polymerních přemostění mezi nanočásticemi, které přenášejí napěti skrze magnetické struktury je označená jako nezbytná pro mechanickou odezvu polymerních nanokompozitů a pro tuhost hybridních struktur.

Polymerní nanokompozity na bázi polyhedrálních oligomerních silsesquioxanů (POSS) představují slibnou oblast výzkumu, která potenciálně může využít samouspořádávní při navrhování nových materiálů. Tato diplomová práce popisuje postup přípravy oktafenyl-POSS/PS, oktafenyl-POSS/PMMA a oktamethyl-POSS/PS systémů a charakterizaci jejich termomechanických vlastností v pevné fázi a reologických vlastností v roztoku. Získané výsledky jsou diskutovány s přihlédnutím k teoriím zabývajících se stavem disperze nanočástic.