Layered RF Phantom Characterization for Wireless Medical Vital Sign Monitors

Wearable antenna performance measurements were used to characterize a synthetic variable layered phantom testbed, representative of human tissue for operation in the 868/915 MHz, and 2400 MHz industrial, scientific and medical frequency bands. Antenna radiation efficiency measurements on the phantom were compared with measurements on the thorax region of a human test subject. The results show that the phantom is representative of the human body for the application of wireless vital sign monitors, where conductive connections are made to the tissue.

The ageing behaviour of hydrogenated nitrile butadiene rubber/nanoclay nanocomposites in various mediums

Hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) nanocomposites were prepared using commercially available organoclays (Cloisite 15A). The main focus of the current investigation is to study the influence of the organoclay reinforced in HNBR after subjecting it to long-term oxidative ageing and immersion studies. All the different nanoclay nanocomposites were air aged for a period of 168 h and at 150°C. The changes in the mechanical properties such as tensile strength and elongation at break have been compared with respect to the control sample. For immersion tests, three different liquid mediums were considered for this current investigation. All the samples were immersed in different mediums for a period of 168 h at 150°C. The changes in the swelling index and the mechanical properties have been reported with respect to the control sample. After reinforcing nanoclays into HNBR there was good resistance to swelling in all the three different liquid mediums in comparison to control sample. Tensile testing was performed on the immersed nanocomposites to evaluate the mechanical behaviour after immersion studies. A probable mechanism behind the improved performance has been suggested. © The Author(s) 2012.

Influence of nanoclays on mechanical and barrier properties of hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber nanocomposites

In this research, two different methods have been investigated for optimising the preparation of hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber/clay nanocomposites. Commercially available organoclay (Cloisite 20A) has been considered for the preparation of rubber nanocomposites. A detailed analysis has been made to investigate the morphological structure and mechanical behaviour at room temperature and at elevated temperature. Also the influence of organoclays on permeability has been studied. Structural analysis indicates very good dispersion for a low loading of 5 parts per hundred (phr) amount of nanoclays. Significant improvements in mechanical properties have been observed with the addition of organoclays at both room and elevated temperatures. Even with the low level of addition of nanoclays, there was a remarkable reduction in permeability. © Institute of Materials, Minerals and Mining 2011.

Nucleation-Induced Self-Assembly of Multiferroic BiFeO3-CoFe2O4 Nanocomposites

Large areas of perfectly ordered magnetic CoFe2O4 nanopillars embedded in a ferroelectric BiFeO3 matrix were successfully fabricated via a novel nucleation-induced self-assembly process. The nucleation centers of the magnetic pillars are induced before the growth of the composite structure using anodic aluminum oxide (AAO) and lithography-defined gold membranes as hard mask. High structural quality and good functional properties were obtained. Magneto-capacitance data revealed extremely low losses and magneto-electric coupling of about 0.9 mu C/cmOe. The present fabrication process might be relevant for inducing ordering in systems based on phase separation, as the nucleation and growth is a rather general feature of these systems.

Ferroelectricity in epitaxial pulsed laser deposited bismuth-layered perovskite thin films of different crystallographic orientations

Epitaxial thin films Of various bismuth-layered perovskites SrBi(2)Ta(2)O(9), Bi(4)Ti(3)O(12), BaBi(4)Ti(4)O(15), and Ba(2)Bi(4)Ti(5)O(18) were deposited by pulsed laser deposition onto epitaxial conducting LaNiO(3) or SrRuO(3) electrodes on single crystalline SrTiO(3) substrates with different crystallographic orientations or on top of epitaxial buffer layers on (100) silicon. The conductive perovskite electrodes and the epitaxial ferroelectric films are strongly influenced by the nature of the substrate, and bismuth-layered perovskite ferroelectric films with mixed (100), (110)- and (001)-orientations as well as with uniform (001)-, (116)- and (103)- orientations have been obtained. Structure and morphology investigations performed by X-ray diffraction analysis, scanning probe microscopy, and transmission electron microscopy reveal the different epitaxial relationships between films and substrates. A clear correlation of the crystallographic orientation of the epitaxial films with their ferroelectric properties is illustrated by macroscopic and microscopic measurements of epitaxial bismuth-layered perovskite thin films of different crystallographic orientations.

Characterisation of melt processed nanocomposites of Polyamide 6 subjected to uniaxial-drawing

In this paper, the processing and characterization of Polyamide 6 (PA6) nanocomposites containing graphite nanoplatelets (GNPs) is reported. PA6 nanocomposites were prepared by melt-mixing using an industrial, co-rotating, intermeshing, twin-screw extruder. A bespoke screw configuration was used that was designed in-house to enhance nanoparticle dispersion into a polymer matrix. The effects of nano-filler type (xGnPTM M-5 and xGnPTM C-500), nano-filler content, and extruder screw speed on the bulk properties of the PA6 nanocomposites were investigated. The crystalline structures of PA6 nanocomposites are related to thermal treatment, stress history and the presence of moisture and nanofillers. DSC, Raman and XRD studies show an increase in crystallinity with increasing GNP content and a phase transformation between α-form to γ-form crystals as a result of the heterophase nucleation effect. The effect of uniaxial stretching on PA6 nanocomposites was investigated by drawing specimens heated at temperatures below the melting temperature. DSC and Raman studies on the drawn samples show an increase in yield stress as the GNP content increases due to the strain induced crystallization and γ—β transition during stretching. The rheological response of the nanocomposites resemble that of a ‘pseudo-solid’, rather than a molten liquid, and analysis of the rheological data indicates that a percolation threshold was reached at GNP contents of between 10–15wt%. An increase in tensile modulus of as much as 412% was observed for PA6/C-500 xGnPTM composites, at a filler content of 20wt%. The enhancement of Young’s modulus and yield stress can be attributed to the reinforcing effect of GNPs and their uniform dispersion in the PA6 matrix. The electrical conductivity of the composite also increased with increasing GNP content, with an addition of 15wt% GNP resulting in a 6 order-of-magnitude increase in conductivity. The effects of uniaxial-drawing and the inclusion of multiple nano-filler varieties on the electrical and mechanical properties are currently under investigation.

A facile method for synthesizing PVA/Au, PVA/Ag and PVA/AuAg nanocomposites

In this paper, we presented a facile way of preparing PVA/Au, PVA/Ag and PVA/AuAg nanocomposites through in situ synthesis of metal nanoparticles in PVA hydrogel network using a room temperature atmospheric pressure microplasma. This is the first time microplasma technology is used for the fabrication of hydrogel based nanocomposites. The materials synthesized have been characterized for their microstructure and antibacterial properties. The nanoparticles synthesized within the PVA hydrogel network are found to be better dispersed than those synthesized in water, and their size and shape are more uniform. The new approach has opened a new avenue towards multi-scale synthesis of green and multi-functional nanocomposites, which may find wide range of potential applications in biomedical field.

Atmospheric Pressure DC Plasma Processing of TIO2/PEDOT:PSS Nanocomposites

In this work we demonstrate the synthesis of a TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite material in aqueous solution through atmospheric pressure direct current (DC) plasma processing at room temperature. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced after microplasma processing, and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. We have observed increased TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite electrical conductivity due to microplasma processing. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are thought to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer bonding, which is expected to have a significant benefit in materials processing with inorganic nanoparticles for wide range of applications.

Processability, structural evolution and properties of melt processed biaxially stretched HDPE/MWCNT nanocomposites

Biaxial stretching of melt mixed high density polyethylene (HDPE)/multiwalled carbon nanotube (MWCNT) nanocomposites was conducted in the melt state at different stretching ratios (SRs). The addition of MWCNTs leads to significant strain hardening in the HDPE, greatly improving the stability and thus processability of the stretching process. Scanning electron microscopy shows that the MWCNTs in the polymer matrix are gradually disentangled and randomly oriented in the stretching plane with increasing SRs. All the stretched samples exhibit an increase in crystallinity (about 10%) due to strain induced crystallization and a broadened distribution of crystallite size according to the XRD and DSC results. The mechanical properties of the composites improve with increasing SRs, while they drop off after a SR of 2.5 for the neat HDPE which is likely to be due to the relaxation of polymer chains prior to solidification. The presence of the MWCNTs appears to inhibit this relaxation thus helping to maintain the orientation and mechanical properties at high SRs. The modulus, yield strength and breaking strength of stretched composites with 8 wt% MWCNTs increase by approximately 54%, 85% and 193% respectively compared with the neat HDPE at a SR of 3. The electrical percolation threshold for the unstretched material occurs at 1.9 wt% MWCNTs. As SR increases, the values of critical concentration increase from 1.9 wt% to 4.9 wt% implying the destruction of conductive networks due to an increased inter-particle distance. A loading of 6 wt% MWCNTs is sufficient to ensure that the sheet conductivity is robust to changes in the SR. Decreased values of critical exponent from 1.9 to 1.1 and morphological investigation reveal a transformation of the system structure from three dimensional to two dimensional as SR increases.

A design strategy of large grain lithium-rich layered oxides for lithium-ion batteries cathode

Li-rich materials are considered the most promising for Li-ion battery cathodes, as high capacity can be achieved. However, poor cycling stability is a critical drawback that leads to poor capacity retention. Here a strategy is used to synthesize a large-grain lithium-rich layered oxides to overcome this difficulty without sacrificing rate capability. This material is designed with micron scale grain with a width of about 300 nm and length of 1-3 μm. This unique structure has a better ability to overcome stress-induced structural collapse caused by Li-ion insertion/extraction and reduce the dissolution of Mn ions, which enable a reversible and stable capacity. As a result, this cathode material delivered a highest discharge capacity of around 308 mAh g^-1 at a current density of 30 mA g^-1 with retention of 88.3% (according to the highest discharge capacity) after 100 cycles, 190 mAh g^-1 at a current density of 300 mA g^-1 and almost no capacity fading after 100 cycles. Therefore, Lithium-rich material of large-grain structure is a promising cathode candidate in Lithium-ion batteries with high capacity and high cycle stability for application. This strategy of large grain may furthermore open the door to synthesize the other complex architectures for various applications.

Microplasma Processed Ultrathin Boron Nitride Nanosheets for Polymer Nanocomposites with Enhanced Thermal Transport Performance

This paper reports on the enhancement of the thermal transport properties of nanocomposite materials containing hexagonal boron nitride in poly (vinyl alcohol)through room-temperature atmospheric pressure direct-current microplasma processing. Results show that the microplasma treatment leads to exfoliation of the hexagonal boron nitride in isopropyl alcohol, reducing the number of stacks from >30to a few or single layers. The thermal diffusivity of the resulting nanocomposites reaches 8.5 mm2 s-1, 50 times greater than blank poly (vinyl alcohol) and twice that ofnanocomposites containing non-plasma treated boron nitride nanosheets. From TEM analysis, we observe much less aggregation of the nanosheets after plasma processing along with indications of an amorphous carbon interfacial layer which may contribute to stable dispersion of boron nitride nanosheets in the resulting plasma treated colloids.

Preparation and characterization of novel nanocomposites of inorganic/polysaccharide type

O uso de polímeros naturais no âmbito da preparação de nanocompósitos não tem sido tão amplamente estudado quando comparado com os polímeros sintéticos. Assim, esta tese tem como objectivo estudar metodologias para a preparação de novos materiais nanocompósitos sob a forma de dispersões e filmes utilizando polissacarídeos como matriz. A tese está dividida em cinco capítulos sendo o último capítulo dedicado às conclusões gerais e a sugestões para trabalhos futuros. Inicialmente é apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre os principais temas colocando esta tese em contexto. Considerações sobre o uso de polímeros naturais e a sua combinação com a utilização de nanopartículas inorgânicas para a fabricação de novos bionanocomposites são descritas e os objectivos e outline da tese são também apresentados. No segundo capítulo, a preparação de partículas de sílica puras ou modificadas bem como a sua caracterização por FTIR, SEM, TEM, TGA, DLS (tamanho e potencial zeta) e medições de ângulo de contacto são discutidas. De modo a melhorar a compatibilidade da sílica com os polissacarídeos, as partículas SiO2 foram modificados com dois compostos do tipo organosilano: 3- metacril-oxipropil-trimetoxissilano (MPS) e 3-aminopropil-trimetoxissilano (APS). As partículas SiO2@MPS foram posteriormente encapsuladas com de poli(metacrilato de glicidilo) utilizando a técnica de polimerização em emulsão. A utilização dos nanocompósitos resultantes na preparação de dispersões de bionanocompósitos não foi bem sucedida e por esse motivo não os estudos não foram prosseguidos. O uso de SiO2@APS na preparação de dispersões bionanocomposite foi eficiente. No terceiro capítulo é apresentada uma revisão sobre dispersões bionanocompósitas e respectiva caracterização destacando aspectos fundamentais sobre reologia e microestrutura. Em seguida, é discutido o estudo sistemático realizado sobre o comportamento reológico de dispersões de SiO2 utilizando três polissacarídeos distintos no que concerne a carga e as características gelificantes: a goma de alfarroba (não iónica), o quitosano (catiónico) e a goma xantana (aniónica) cujas propriedades reológicas são amplamente conhecidas. Os estudos reológicos realizados sob diferentes condições demonstraram que a formação de géis frágeis e/ou bem estruturados depende do tamanho SiO2, da concentração, do pH e da força iónica. Estes estudos foram confirmados por análises microestruturais usando a microscopia electrónica a baixas temperaturas (Cryo-SEM). No quarto capítulo, são apresentados os estudos relativos à preparação e caracterização de filmes bionanocompósitos utilizando quitosano como matriz. Primeiramente é apresentada uma revisão sobre filmes de bionanocompósitos e os aspectos fundamentais das técnicas de caracterização utilizadas. A escolha do plasticizante e da sua concentração são discutidas com base nas propriedades de filmes de quitosano preparados. Em seguida, o efeito da concentração de sílica e dos métodos utilizados para a dispersar na matriz de polissacarídeo, bem como o efeito da modificação da superfície da sílica é avaliado. As características da superfície e as propriedades de barreira, mecânicas e térmicas são discutidas para cada conjunto de filmes preparados antes e após a sua neutralização. Os resultados obtidos mostraram que a dispersão das cargas no plasticizante e posterior adição à matriz polissacarídica resultaram apenas em pequenas melhorias já que o problema da agregação de sílica não foi ultrapassado. Por esse motivo foram preparados filmes com SiO2@APS os quais apresentaram propriedades melhores apesar da agregação das partículas não ter sido completamente impedida. Tal pode estar relacionado com o processo de secagem dos filmes. Finalmente, no capítulo 5, são apresentadas as principais conclusões obtidas e algumas sugestões para trabalho futuro.

Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.