גישות חדשניות לשליטה בפולימר מורפולוגיה במהלך עיבוד

היכולת לשלוט בדיוק על הסדר של רשתות פולימרים במהלך עיבוד - מועדף כמו שליטה מורפולוגיה - הפך גורם מכריע בפיתוח חומרים ביצועים גבוהים.מרכיבי רכב להשתלת ביו-רפואית, התכונות הסופיות של מוצר פולימר תלוי במידה רבה במבנה הפנימי שלו. במהלך העשור האחרון, חבילה של טכניקות חדשניות התפתחה כי נע הרבה מעבר לשיטות מסורתיות ומכניות, המאפשרת מהנדסים לעצב את המורלולוגיות במגוון רחב של מנגנונים אלה, הם לחקור את המנגנונים פורצי דרך, וחדשניים.

יסודות של Polymer Morphology

Polymer מורולוגיה מתארת את הארגון התלת מימדי של רשתות מקרו-מולקולריות בתוך חומר.הארגון משתרע מהסקאלה הננומטר – קריסטלליין lamellae, אזורים אמורפיים, וסבך שרשרת - לגודל המיקרומטר - spherulites, דומיינים מפורשים, ופיזור מלא.

תכונות מורפולוגיות עיקריות כוללות:

• (FLT:0) קריסטליניות (FLT:103): השבריר של אריזה שרשרת מסודרת.גבישנות גבוהה בדרך כלל מגבירה את הנוקשות, הצפיפות וההתנגדות הכימית, אך מפחיתה את עוצמת ההשפעה ואת הבהירות האופטית.
• (ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]]: בפולימרים סמיקליים, ממדים מפוצצים משפיעים על פיזור אור, קשיחות והתנהגות שבר.
• [ה]: [ה] [ה]: [ה] [ה]], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה],] [השלל]]], [השל ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה']'[ה']']']'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ה']']']']']']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה']']']'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'
• (ב) [ה]: [ה] [ה] [ה]]: בערובות ובחסום כפיים, בגודל, הצורה וחיבוריות של שלבים (lamellar, cylindrical, bicontinent) תכתיב תחבורה ונכסים מכניים.

מכיוון שתכונות אלה הוקמו במהלך עיבוד, התאמות קטנות בטמפרטורה, לחץ, זרימה ותוספים יכולים לייצר מורולוגיות שונות באופן דרמטי - ולכן ביצועים חומריים.

גישות מסורתיות לבקרת המורפולוגיה

שיטות עיבוד קלאסיות נשארות הבסיס של ייצור פולימרים תעשייתי.עם זאת, הן פועלות על פרמטרים גדולים ולעתים קרובות מניבות שליטה מוגבלת על פרטים מורפולוגיים יותר.

מניפולציות הומוסקסואליות ומכנית

קצב קירור הוא המשתנה הפשוט ביותר. Rapid quenching מדכא צמיחה גבישית, ייצור מבנים amorphous, בעוד קירור איטי מאפשר spherulites גדול, מסודר היטב. Shear כוחות במהלך הזרקת עובש או extrusion או רשתות פולימריות שימושי לאורך כיוון זרימת הזרם, שיפור כוח הפין בציר זה.Annaling - חימום מתחת לנקודת ההיתוך - מזניחים גבישים משניים ונפח שלמות.

טכניקות Solvent-Assisted

Solvent ליהוק ופתרון עיבוד ניצול אינטראקציות פולימר-סולאוור.הההאטה גורמת לשיתוק; הבחירה של פתרון, ריכוז וקצב ההחלמה משפיע על פולימורפיזם והפרדה בשלב.

מגבלות של בקרה קלאסית

בעוד יעיל עבור רבים מפלסטיקים של סחורות, שיטות מסורתיות חסרות את ההחלטה ליצור nanostructures מהונדסים בדיוק. הם לא יכולים בקלות לייצר מורולוגיות היררכיות או להתאים ממשקים בין פולימרים שונים.כפי דרישות יישום לגדול, הסתמכות על פרמטרים גדולים בלבד הופכת ללא די.

גישות חדשניות לבקרת המורפולוגיה

ההתקדמות החדשה מממנת שדות חיצוניים, ייצור תוספים, ממריצים ננוקליים, משוב עיבוד אינטליגנטי כדי להשיג מורולוגיות שהיו בעבר בלתי נגישות.שיטות אלה מאורגנות לחמש קטגוריות להלן.

הפקה גמישה ו 3D Printing

ייצור אדקטי בונה אובייקטים שכבתיים על ידי שכבה, המציע שליטה מקומית על היסטוריה תרמית והגשמה. בניגוד לתבנית קונבנציונלית, כל voxel יכול לחוות שיעור קירור ייחודי פרופיל Shear, המאפשר ⁇ מורפולוגי בתוך חלק אחד.

(FLT:0)Fuse Filament fabrication (FFF): ⁇ FLT 1 ב FFF, שפך נפוח מוטבע על צלחת בנייה.גדילה קריסטל מתרחשת בתנאים לא-אחרמאליים עם תנודות טמפרטורה חזקות. על ידי התאמת טמפרטורה ללא סחרחורת, מהירות הדפסה וטמפרטורת מיטה, החוקרים יצרו ממורולוגיות בין-סולניות כי יש שיפור כוחנול (למשל, חום) בהשוואה לחום (aplin טמפרטורה מוגברת) עם חום (acticity) בהשוואה לחום (atic show) חום (atic show) חום (aphicial) בהשוואה לחום (aphicial) בהשוואה לחום (aphlindial) בהשוואה לחום (aphed טמפרטורה מוגברת עם חום (aphed טמפרטורה מוגברת עם חום (aphine).

(FLT:0)Selective לייזר Sintering (SLS): ⁇ FLT) 1 SLS משתמש לייזר כדי למזג חלקיקים אבקה פולימרים.מחזורי חימום מהיר קירור יכולים ליצור צורות גבישיות ייחודיות. לאחרונה מראה כי על ידי שליטה על כוח לייזר ואסטרטגיה סריקות, ניתן לגרום נטייה מועדפת של lamellae perpendicular לבנות, להגביר את הנוקשות מכנית.

(FLT:0)פונטני ואתגרים:FLT:1 [3D הדפסה] מאפשר עיצובים מורפולוגיים מתפוצצים - לדוגמה, מרכיב שהוא ערום באזורים בעלי השפעה וגביישון שבו יש צורך בנוקשות.עם זאת, חלון העיבוד הצר של פולימרים סמיקליים רבים ונטייה של איזון של גבישי נשאר על מכשולים מתמשכת במחקר תוך כדי שימת הדפסה קרובה.

2.Wecomposite Inהתאגדות ו Directed Nucleation

Embedding nanoscale מילויs - כגון צינורות פחמן, גרף oxide, ננוגלי חימר, ו cellulose ננוcrystals - יכול לשנות עמוק פולימרולוגיה. nanoparticles אלה לפעול כמו nucleating סוכנים, מתן פני השטח עבור גירוד גבישי heterogeneous.

(FLT:0) נוקד את היעילות של חנק: 1) משחק הליטקטי בין משטח הממלא לבין גביש פולימר קובע את יעילות הניקיון.עבור פוליפרופילן האיקטיבית, מלחים אורגניים מסוימים (למשל, נתרן benzoate) וננו-חלקיקים אורגניים (למשל, talc) להפחית את הנפחים מגודל מיקרומטר לכדי השפעה מיקרומטר.

(FLT:0 Morphology Templating:FLT:1 ננופיבר או ננוגליונות יכול גם התגבשות תבנית.כאשר מתואמים בשדה חשמלי או זרימה, הם מנחים צמיחה גבישית לאורך כיוון מועדף, יצירת anisotropic מכני או מוליכות תרמית.

(FLT:0) התנהגות שלPhase בבלנדרים: FLT:1 בתערובת פולימרנית בלתי ניתנת לדמי, חלקיקים מעדיפים לאתר באופן אידיאלי בממשק, צמצום המתח הבין-גזעי וייצוב של מורולוגיות קו-צפוי.טכניקה זו משמשת ליצירת פולימרים מורכבים התנהגותיים שבהם מתרחשת בעומסי מילוי נמוכים יותר, כמו שלב ההתנהגותי של רשת רציפה.

(FLT:0) Drawbacks:FLT:1 פיזור חלקיקים נשאר אתגר. Agglomerates יכול לפעול כמו פגמים ולא אתרי ניקוי.

3.חשמל ומגנטי Alignment

שדות חיצוניים מציעים אמצעי לשרשרת פולימרים או יעילה, תחומים, או ממלאים ללא מגע מכני.השיטה היא שימושית במיוחד לייצור מורולוגיות אנזוטרופיות בפולימרים גבישיים נוזליים, לחסום כפייתימרים ומערכות מלאות.

(FLT:0) שדות חשמליים: FLT:1 An Changingn שדה חשמלי יכול לגרום לגוון סגסוגת פולימרים או חלקיקים. in block copolymer סרטים דקים, שדה יישומי מיושר cylindrical או lamellar microdomains perpendiculars a substrate, צמצום פגמים.

(FLT:0 Magnetic Fields:FLT:1 היערכות מגנטית יעילה עבור פולימרים עם רגישות מגנטית anisotropic, כגון אלה המכילים טבעות ארומטיות או mesogens גבישי נוזלי.לדוגמה, פולי (אתלן terephthalate) (PET) התגבש בשדה מגנטי 10 מראה כית של תא, מוביל למולקולות מגנטיות או מגנטיות.

(FLT:0) גישות שדה משולב: FLT:1 חלק מהחוקרים שילבו שדות חשמליים ומגנטיים כדי להשיג היערכות אורטוקונאלית - או הפעלת ננוד בכיוון אחד וגבישים פולימרים באחר. רמה זו של שליטה היא בעלת ערך לחומרים רב-תפקודיים, כגון מסובכים מבניים עם מוליכות חשמלית כיוון.

(FLT:0)איכותיות: 1.10LT:1 אלקטרומגנטים כוח גבוהה דורש אנרגיה משמעותית והשקעה הון.רוב המחקרים בסיוע שדה להישאר בקנה מידה המעבדה.עם זאת, הזמינות הגוברת של שדות מגנטיים מותקפים ואלקטרודות מגודלים לעיבוד רול-to-roll עשויה לאפשר אימוץ תעשייתי.

עיבוד מיקרופלודי ומפונק של הגיאומטריה

מיקרודיקליקים מספקים סביבה ייחודית לשליטה בפולימרמורולוגיה: בדיוק להגדיר Shear, טמפרטורה ו ⁇ כימי בתוך מיקרו-ערוצים.המדים הקטנים גם מגבילים את הצמיחה גבישית, מה שמוביל למצבים מורפולוגיים חדשים.

(FLT:0)Flow- induced Crystallization:cioFLT:1 כאשר נמס פולימר או פתרון נחצה באמצעות מיקרו-ערוצי, השרשראות החזקות והרחבות של זרימה וזרז את הניקיון. עבור פוליפרופילן, גבישי קשיחה זרימה מייצרת מבנים "ש-kebab" - מתקפלים לאחור עם שרשראות אחוריות עם שרשראות גדולות ומבנה גדל והולך של עופרת.

עיבוד מבוסס:0Droplet- Based Processing:FLT:1 , Emulsifying פתרון פולימרי טיפות עיבוד אותם באופן פרטני מונע הפלימיזציה והחיסטליזציה בתוך טיפות מבודדות. גישה זו יצרה חלקיקים פולימרים מונודיספרסים עם תוכן גבישי אחיד, שימושי עבור ניסוחים מבוקרים.

(FLT:0)Nano- Confinement:FLT:1 כאשר פולימר מוגבל בתוך תבניות ננו- ⁇ (אנודמומת אלומיניום, חוסם pores), התנהגות הקריסטליזציה שלו משתנה באופן דרמטי. nucleation הומוגני הופך דומיננטי, וצמיחה גבישית מוגבלת על ידי ממדים פוארים.

(FLT:0)Industrial Outlook:FLT:1 התקנים מיקרופלודיים עדיין אינם נפוצים בעיבוד פולימרי, אך הם בעלי ערך למחקרים יסודיים ולייצור כמויות קטנות של חומרים מיוחדים - כגון מיקרו-ספירים עבור יישומים רפואיים - שם מורפולוגיה מדויקת היא קריטית.

5. Stimuli-Responsive and Self-Organizing Systems

שיעור מתפתח של שיטות משתמש גירויים חיצוניים - אור, pH, טמפרטורה או כימיקלים ספציפיים - כדי לעורר שינויים מורפולוגיים במהלך או לאחר עיבוד.מערכות "חכם" אלה יכולות להתאים את המבנה הפנימי שלהם בתגובה לרמזים סביבתיים.

(FLT:0) צילום-החלסטליזציה הטריגר: קיד 1 (FLT:1) כמה פולימרים מכילים קבוצות פוטו-כרומוזומיות שמשנות התאמה לקרינת UV.על ידי חלקים מרתיעים באופן סלקטיבי של סרט, ניתן לגרום באופן מקומי להתאבלות או amorphization. גישה זו שימשה לכתיבה של גבישים בסרטים פולימרים לאחסון נתונים אופטיים.

(FLT:0)Block Copolymer self- Assembly with חיצוני Triggers:Felople:1 בלוק copolymers יכול להרכיב לתוך nanostructures תקופתיים הוספת גורם (למשל, שינוי באיכות או טמפרטורה) יכול לשנות את המעבר הסדר הסדר הסדר, המוביל למורפולוגיה שונה (למשל, ל goid כדי לאפשר מעבר פגום, יעיל עבור גדלים פגומים, עם גודל אדמירולוגי זה.

(FLT:0) ליברפוליזציה ומורמופיזיולוגיה האבולוציה:FLT:1 טכניקות פולימריזציה מבוקרת מאפשרות לאדם לגדל בלוק שני על בלוק ראשון בעוד שהמורולוגיה כבר הוקמה.תהליך "חיים" זה יכול לשמש כדי לשנות באופן שיטתי את השבריר של כל שלב, לעבור דרך מגוון מלא של מורולוגיות ללא עיבוד מחדש.

(FLT:0) פוטנציאל עתידי: FLT:1; שליטה מורפולוגיה תגובתית Stimuli עדיין אקדמית במידה רבה, אבל היא מבטיחה חומרים אדפטיים ריפוי עצמי המארגן מחדש את אזורי הקריסטל שלהם לאחר נזק, או סרטי אריזה שמשנים את עמידות הגז כאשר נחשפים לחות.

עיבוד של סוגי פולימרים ספציפיים

ארכיטקטורות שונות מגיבות לתנאי עיבוד בדרכים נפרדות.הבחירה של שיטת בקרה חייבת להתאים ליכולת הטבוע של פולימר להתגשם, סדר או שלב בנפרד.

Semicrystalline Polymers

עבור פולימרים כמו פוליאתילן, פוליפרופילן, ופולימידדס, גבישיות וגודל spherulite הם המטרות המורמולוגיות העיקריות. היערכות שדה וננוקום הם יעילים במיוחד.בתבניות הזריקה, מורפולוגיה העור - שבו הרהר גבוה ליד הקיר מייצר גבישים מוכווניים, ואט קירור בליבת התשואות גדולות יותר קשקשים - ניתן לשלוט על ידי טמפרטורה מהירה ומהירות הזרקה.

בלוק קופואלימר

בלוק copolymers כגון styrene-butadiene-styrene (SBS) או פולי(styrene-b-isoprene) self-a להרכיב לתוך lamellar, cylindrical, או spherical תחומים. חיצוני, פתרון נשימה, ופתרון מבוקר הם שיטות שליטה דומיננטיות.

Crystalline Polymers

אלה פולימרים טופס הורה mesophas בהיתוך או פתרון. אלקטריק ושדות מגנטיים הם יעילים במיוחד כדי להתאים את mesogens, לייצר חומרים עם התרחבות תרמית anisotropic ומודולוס גבוה לאורך הכיוון. « פולימרים גבישי נוזלי irmotropic מעובדים באמצעות extrusion וזריקת עובש, שבו אוריינטציה זורם עם לאחר עיבוד annealing.

תיאור של Morphology

כדי לשלוט מורפולוגיה, יש למדוד את זה קודם כל, האפיון בזמן אמת במהלך עיבוד הופך חשוב יותר ויותר.

• מקורות ה-X-ray (WAXS/SAXS): 1Fevolved:1 Synchrotron X-ray מאפשרים ניטור של מבנה קריסטל וממדי שלב במהלך החדירה, עובש, או הדפסה.FLT:2 מחקרים RecentcioFLT 3 עקוב אחר היווצרות של מצעים תוך זרימה במקביל של WASTX ו- SASX.
• (FLT:0) ראוטרוסקופיה: FIRLT:1) יכול לחקור אוריינטציה שרשרת והתאמה, המשמש ניטור קוינט במהלך ספינים סיבים.
• (FLT:0) Atomic Force microscopy (AFM): OUTFLT 1 Offline אבל הדמיה גבוהה של lamellae גבישי וגבולות שלב.
• (ב) ⁇ 0 (DSC): ⁇ 1) , לעומת זאת, פשטות על חצנות ועיוות התנהגות, אם כי לא נפתרה באופן מרחבי.

השילוב של טכניקות אלה עם למידת מכונה הוא מגמה הולכת וגוברת.רשתות ניליות יכולות לעבד דפוסים מתפזרים בזמן אמת וחיזוי הפרמטרים אופטימליים לעיבוד כדי להשיג מורפולוגיה מטרה.

פרספקטיבה ואתגרים עתידיים

התחום עובר לכיוון רב-ממדי, בקרה הסתגלותית.כמה כיוונים פעילים במיוחד:

• (FLT:0) משוב מורפולוגי: FIRLT:1 למערכות בקרה סגורות-פרלופ שמתאימות לטמפרטורה, לחץ או כוח שדה בהתבסס על נתונים מורפולוגיים בזמן אמת.
• (FLT:0) עיצוב מורפולוגיה הירארכי: FIRLT:1) שילוב שיטות מרובות - למשל, חלקיקים עבור nucleation בתוספת שדה חשמלי עבור אוריינטציה - ליצור חומרים עם תכונות אופטימיזציה בכל קנה מידה.
• עיבוד:0 (SLT:0) עיבוד בלתי צפוי: 1FLT:1Build שיטות חדשות רבות, כמו מיקרו-השפעהידיקים וייצור תוספת, להפחית פסולת חומרית וצריכת אנרגיה בהשוואה לעיבוד אצווה מסורתי.
• (FLT:0) תאומים: FLT:1 כלי סימבול מודל התגבשות, זרימה ואפקטי שדה ברמה המולקולרית, ומאפשר אופטימיזציה וירטואלית של פרמטרים עיבוד לפני ניסויים יקרים.

עם זאת, מחסומים משמעותיים נשארים.ניסוי תעשייתי של שיטות סיוע שדה הוא יקר.ננות רבות מציגות זמינות אצווה-to-batch ותרגום של הצלחות בקנה מידה מעבדה לייצור קבוע, גבוה באמצעות צולומי כבר איטי. יתר על כן, הבנה בין מספר משתנים עיבוד (טמפרטורה, הרהר, כוח שדה, מילוי) דורש מודל חזק כי עדיין בפיתוח.

למרות האתגרים הללו, ההחידושים המתוארים כאן הופכים את עיבוד פולימרים מאמנות אמפירית במידה רבה למשמעת הנדסית מדויקת.כפי שהמכשיר הופך להיות יותר זול ומדייק כוח גדל, החזון של תכנון מורפולוגיה פולימרית על הביקוש - עבור כל יישום, מאלקטרוניקה גמישה ועד אריזה ביו-דידנטית - מתקרב למציאות במהירות.

---

(ב) ◄ ⁇ ⁇

• (ב) ,0) ב-[[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]
• (FLT:0) סקירת ננו-חלקיק בפולימרים סמיקלקטיים (Current Opinion in Solid State & Materials Science)
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ :0 Magnetic field processing of פולימרים פולימרים פולימרים (Journal of Materials C)
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇