Makromolekylær rekkefølge i plastisk rike

Anonim

Et team av forskere ved Institutt for syntetiske polymermaterialer fra det russiske vitenskapsakademiet, MIPT og andre steder, har bestemt hvordan regelmessigheten av polypropylenmolekyler og termisk behandling påvirker sluttproduktets mekaniske egenskaper. Deres nye innsikter gjør det mulig å syntetisere et materiale med forutbestemte egenskaper som elastisitet eller hardhet. Papiret som beskriver studien ble publisert i Polymer.

Med hensyn til produksjonsvolum, polypropylen er det andre bare for polyetylen. Ved å tilpasse sin molekylære struktur, kan polypropylen brukes til å fremstille materialer med et bredt spekter av funksjoner, fra elastikk til kraftig plast. Imidlertid er forholdet mellom polymerens kjemiske struktur og dets mekaniske egenskaper ikke fullt ut forstått.

Hva gjør egenskapene til polymermaterialer så variabel er deres sminke. Et polymermolekyl er en lang kjede av gjentatte enheter av ulik lengde. Hvis disse molekylene blir mer eller mindre tilfeldig i et materiale, sies det å være amorfe. Slike polymerer er myke. I andre materialer danner polymerkjedene sammenkoblinger kalt tverrbindinger. Dette gir opphav til regioner med svært vanlig atomstruktur (figur 1), lik den for krystaller, derav navnet krystallitter. De holder det hele molekylære nettverket sammen, og jo flere krystallitter er det i et materiale, jo vanskeligere er det. For å danne tverrbindinger må molekylære kjeder ha en viss strukturell regelmessighet kalt isotaktisitet.

En polypropylenkjede består av en ryggrad med karbonatomer med tilknyttede hydrogenatomer. Hvert annet karbonatom i kjeden har en metylgruppe festet til den. To tilstøtende karbonatomer i kjeden med hydrogenatomer og metylgruppen bundet til dem utgjør en repeterende enhet kalt propylen eller propen. Den romlige konfigurasjonen av makromolekylen - polymerkjeden - bestemmes ved gjensidig orientering av metylgruppene i kjeden (figur 2): Hvis de er alle på den ene siden, sies molekylet å være isotaktisk. Hvis de veksler mellom enveis og den andre, er arrangementet kjent som syndiotaktisk. Fraværet av et konsistent mønster er referert til som ataktisitet. Isotaktiske kjedesegmenter er svært effektive til å danne tverrbindinger. Derfor resulterer en høyere grad av polypropylenisotaktisitet i et sterkere materiale. Kjemikere kan syntetisere polypropylen med forhåndsbestemt isotaktisitet. Forfatterne satte opp for å etablere det nøyaktige forholdet mellom materialets mekaniske egenskaper og isotaktisitet.

Hva gjør det sterkt

Graden av isotaktisitet av en polymer uttrykkes når det gjelder innholdet av pentader i den. En pentad er et perfekt isotaktisk molekylsegment som er fem gjentatte enheter lenge. Forskerne undersøkte polypropylener karakterisert ved ulike grader av isotaktisitet: Spesielt 25, 29, 50, 72, 78, 82 og over 95 prosent. Prøver av hver type polypropylen ble oppnådd i form av filmer, 0, 5-0, 7 millimeter tykke, ved bruk av to forskjellige teknikker: nemlig slukning av det smeltede materiale i isvann og avkjøling av det med en hastighet på 3 grader per minutt. Filmene ble deretter utsatt for strekking ved 10 millimeter per minutt på en testmaskin.

Ved hjelp av resultatene av mekaniske tester plottte forfatterne en stress-belastningskurve for hver av prøvene. De fant at oppførselen til prøvene under belastning var relatert til deres isotaktisitet og termiske forhistorie, det vil si om de ble avkjølt sakte eller raskt. Forskerne skildret dette forholdet som en avhengighet av elastisk modulus på graden av krystallinitet (figur 4). Høyere elastiske moduler tilsvarer tøffere materialer. Graden av krystallinitet er prosentandelen av krystallittene - i motsetning til amorfe regioner - i volumet av materialet. Laget viste også at krystallittene i slokkede og langsomt avkjølte prøver varierte i sin form.

"Mange forsøker å forbedre egenskapene til polypropylen, siden avkastningen på innsatsen er stor. Den produseres av millioner av tonn, og man trenger bare å justere kjedestrukturen eller forberedelsesforholdene litt for å oppnå et materiale med ønskede egenskaper, sier forfatter Maxim Shcherbina, som lærer ved MIPT og er en ledende forsker ved laboratoriet for funksjonelle polymerstrukturer ved Institutt for syntetiske polymermaterialer, RAS. "Under syntese bestemmer du molekylets struktur, men når du gjør det, bestemmer du også nettverksegenskapene og dermed egenskapene til materialet. Dette er den viktigste konklusjonen vi tegner i papiret. gjør lignende ting med polyetylen-en annen ganske populær polymer. "

menu
menu