השפעת המבנה המולקולרי על הנטייה של הפולימרים: תובנות מעשיות

הביצועים המכניים של חומרים פולימרים נשלטים ביסודם על ידי הארכיטקטורה המולקולרית שלהם.הבנת האופן שבו המבנה המולקולרי משפיע על קשיחות פולימרית הוא חיוני עבור חומרים מדענים, מהנדסים ומעצבי מוצר המבקשים לפתח חומרים בעלי ביצועים גבוהים עבור יישומים תובעניים.מדריך מקיף זה חוקר את היחסים המורכבים בין מאפיינים מולקולריים ונוקשות, מתן תובנות מעשיות עבור אופטימיזציה של תכונות פולימרים על פני מגזרים תעשייתיים מגוונים.

הבנה של oughness פולימר: מושגי יסוד

קשיחות היא היכולת של חומר להתנגד הן שבר והן עיוות.קשה פולימר, כלומר היכולת של פולימר להציג עיוות פלסטי והתנגדות לעומס השפעה ללא כישלון, הוא נכס מאוד רצוי של חומר או מוצר. בניגוד כוח, אשר מודד כמה לחץ יכול לעמוד לפני התשואות, או קשיחות, אשר מצביע על התנגדות למשטח indentation, הוא חומר קשה מייצג את החומר הרכשוע לפני שהוא עלול לספוג אנרגיה קטסטרופלית.

האזור מתחת לעקום הלחץ מתאר את הקשות של פולימר.הגדולה יותר האזור הכבוש גבוה יהיה הקשוחות של החומר. ייצוג גרפי זה מספק מידה כמותית המשלבת את הכוח והדוכסיות של החומר. להיות קשוח, חומר חייב להראות גם כוח טוב ודוכסיות. דרישה כפולה זו הופכת להיות מאתגרת במיוחד, כמו שינויים מולקולריים רבים כי הם נוטים כוח כדי להפחית, ולהיפך.

אתגר בסיסי הוא בסתירה הטבוע בין כוח (היכולת לשאת עומס מכני) לבין קשיחות (היכולת להתנגד לשבר) כוח גבוה, נגזר מאיגרות חוב כימיות חזקות ומבנים מסודרים, אינה נובעת באופן מהותי בנוקשות, אשר גם תלוי במודולולוציות החומרי והעיוותים, נתמך על ידי תהליכי פירוק אנרגיה כגון קשר דינמי או מקודש.

התפקיד הקריטי של משקל מולקולרי ואורך שרשרת

משקל מולקולרי הוא אחד הפרמטרים המשפיעים ביותר המשפיעים על קשיות פולימר.במצב המשקפיים, המשקל המולקולרי משפיע על הקשידות וההשפעה של כוח הפולימר; השפעה על כוח עלייה במשקל מולקולרי.מערכת יחסים זו נובעת מהפיזיקה הבסיסית של איך רשתות פולימריות אינטראקציה ומפיץ מתח מכני לאורך החומר.

אורך שרשרת והפצת מתח

אורך שרשרת פולימרים הוא חשוב מאוד.כאשר מספר אטומי פחמן בשרשרת הוא מעל 1,000, חומר מוצק פוליאתילן, עם המאפיינים של כוח, גמישות ונוקשות, מתקבל. שרשראות פולימר לונגר מספקות יותר הזדמנויות להעברת עומס וחלוקה מתח לאורך כל מטריצה החומרית. כאשר נתון ללחץ מכני, שרשראות ארוכות יותר יכולות להידרדר יותר ממרחקים גדולים יותר, מתפזר אנרגיה באמצעות הפסקות אחוריות מאשר נקודות ממתח ספציפיות במתח.

השינוי במדינה מתרחש מכיוון שאורך המולקולות גדל, הכוחות המחייבים הכוללים בין המולקולות גם גדלות.כוחות חסרי משקל אלה משפרים את מבנה החומרי הטמון יותר, אשר מתנגד לצמצום הפחתת הניקוד וההפצה. ההשפעה המצטברת של כוחות ונדלים של ואן דר וואל לאורך שרשראות מורחבות תורמת באופן משמעותי לעצם ההגינות המכנית הכוללת של הפולימר.

Phenomenon

היחסים בין משקל מולקולרי לבין קשיחות הם בעיקר מתווך דרך סבך שרשרת, תופעה קריטית שמשנה באופן יסודי התנהגות פולימרית.כאשר רשתות פולימריות הופכות מספיק זמן, משהו חשוב קורה – הם מתחילים לסבך את התופעה הזאת, המכונה סבך, מתייחס לשילוב הפיזי של רשתות ארוכות עם זה, הרבה כמו קו דיג או שיער ארוך מקבל קשר יחד.

אלה אינם אג"ח כימי, אבל אינטראקציות פיזיות שמגבילות באופן משמעותי את תנועת שרשרת האספקה.פעם מסובכת, השרשראות קשה לפרק, והחומר עובר טרנספורמציה דרמטית הן במדינות המוטות והעוצמתיות שלו.הסבך שרשרת, או קוהרסאלי או טופולוגי, מבחין פולימרים מחומרים הנדסיים אחרים.הוא מטלטלטל את התנועה של מקטעים מולקולריים והשפעות פולימרולוגיה, מורפולוגיה, תכונות מכניות, מכניות, מכניות ומכניות.

רשתות פולימר מתפתלות כאשר הן מספיקות, צפופות וניידות, הכוללות את המיקרו-מבנה של פולימרים.שרשראות פולימרים מסובכות אינן יכולות לעבור זה את זה, אבל הן מחליקות ומעבירות מתח לשרשראות פולימר אחרות, המציגות אפקטים ייחודיים על תכונות אלסטיות וקטניות, כמו גם תכונות שבר.מנגנון שידור זה הוא יסוד להבנת האופן שבו פולימרים משיגים קשיחות - לשרשרת מוחלת אחת ניתן לחלק מרשתות שכנות.

משקל מולקולרית

נקודת הטיפות היא מה שמדענים פולימרים מכנים משקל מולקולרי קריטי (Mc) פולימרים עוברים סוג של מטבוליט בשלב זה – כמו זחל הופך לחמאה.לפני סבך, הפולימרים הוא זרימה חופשית וקל יותר לעבד.לאחר סבך, זה שונה באופן דרמטי - זה חזק יותר, קשה יותר וקשה יותר להמיס, ולפרק.

משקל מולקולרי המעבר נקרא משקל מולקולרי סבך. Polymers מעל משקל מולקולרית הסבך הם שימושיים כמו פלסטיק בעוד אלה מתחת לסבך משקל מולקולרי תכונות של חומרים משקל מולקולרי נמוך, בדרך כלל אבקות. המעבר הזה מייצג שינוי יסודי בהתנהגות החומרית הקובעת האם פולימר יציג תכונות מכניות שימושיות או תישאר חומר בעל ביצועים נמוכים.

יש פרמטר שני, חשוב לאפיון נטיות, שהוא המסה המולקולרית הקריטית מ'.כאשר המשקל המולקולרי של הפולימר עולה על הערך הזה, היחסים בין אפס ⁇ 0 לבין המשקל המולקולרי משתנה מ ⁇ 0- מ"מ"ל עד ⁇ 0-Mw3.4. שינוי דרמטי זה במערכת היחסים מול משקל מולקולארית משקף את תחילתה של שרשרת משמעותית ואפקטים עמוקים על התנהגותו החומרית.

השפעות משקל מולקולריות

וולש וטרוניה חקרו את התלות של קשיחות שבר על משקל מולקולרי וטמפרטורת הבדיקה עבור פולי(מתיל methacrylate) הם מצאו כי שינויים בנוקשות השבירה היו תלויים מאוד בטמפרטורה ועל חלוקת משקל מולקולרית.ההתפלגות של שרשראות בתוך דגימה פולימרית יכולה להיות חשובה כמו המשקל המולקולרי הממוצע עצמו.

נמצא כי PP-1 יש משקל מולקולרי גבוה יותר וחלוקה מולקולרית צר בהשוואה ל-PP-2 Narrow צריכה להיות משקל מולקולרי גבוה מאוד כדי להשיג את אותה רמה של קשיחות של חלוקת משקל מולקולרית רחבה.חלוקות משקל מולקולריות רחבות יכולות לספק רשת סבוכה מגוונת יותר, עם שרשראות קצרות יותר מילוי בין שרשראות ארוכות יותר ותרומה להיקף החומרי הכולל.

הפצה רחבה יותר מגבירה את שרשרת ארוכה של שבריריות משקל מולקולריות גבוהות יותר שיוצרות סבך גבוה יותר באתרי הענף. זו צפיפות סבך מוגברת בנקודות ענף יוצרת קישורים פיזיים נוספים לשיפור הניתוק אנרגיה והתנגדות סדק.

Crystallinity and Amorphous Zones: The Balance of Order and Disorder

המיקרו של פולימרים סמי-קריסטליים מורכבים מאזורים גבישיים מסודרים בין אזורים amorphous הפרעה. Crystalline פולימרים הם מערכות מורכבות, עם שלב amorphous מעכב lamellae גבישי, ועם רוב השרשראות המקרו-מולקולאריות העוסקים בשני השלבים.

תרומות של Crystalline Zones

גדול יותר הקריסטליניות, האזורים פולימריים. Crystalline מספקים קשיחות מבנית וכוח לחומרים פולימרים.הסידור ה הורה של רשתות פולימרים בlamellae גבישי יוצר אריזה צפופה עם כוחות לא-חלוקולאריים חזקים, וכתוצאה מכך הם בעלי ביצועים גבוהים וכוח התשואות.אזורים אלה פועלים כאמצעי צלבים פיזיים העוגנים את רשת הפולימרים ומספקים יכולת רבת עומס.

הכוח של פולימרים גבישיים לא מוכווני קשור בעיקר לתופעות הניבות ופלסטיקות קריסטל.תחת לחץ מכני, אזורי קריסטל יכולים לעבור עיוות פלסטי באמצעות מנגנונים כגון מחליק שרשרת, תאום, ושינויים מרטיניים. מנגנונים אלה עיוותים מאפשרים פולימרים גבישיים לספוג אנרגיה תוך שמירה על שלמות מבנית.

התפקיד של האזורים המחרפיים

אזורים amorphous מספקים את הגמישות והדוכסיות הדרושים לנוקשות.אזורים גדולים יותר לקדם micro-freeing יותר בקלות בהשוואה לאזורים amorphous דקים, המוביל לעיוות פלסטיק גדול יותר וקליטת אנרגיה. אזורים אלה שאינם מיקומים בין lamellae גבישי לאפשר ניידות שרשרת וסידור אחורי מולקולרי תחת לחץ, המאפשר את החומר ל deformally ולא fracrerererererererererererererererererererererererererererereative באופן רופף.

תרומה גדולה לנוקשות מגיעה מעיוות פלסטי.העיוות הפלסטי עצמו הוא תופעה מורכבת, הכוללת גם את השלבים הקריסטליים והחמורפיים.המשחק בין שני השלבים הללו קובע את התנהגות העיוות הכוללת ואת יכולת הקליטה של האנרגיה של החומר.

עובי גבישי גבוה גם תורם למיקרו-החלל באזור אמורפי. היווצרות של מיקרו-חלבונים באזורים amorphous מייצגת מנגנון של פירוק אנרגיה חשוב.החלים האלה מאפשרים לחומר לעבור שינוי נפח משמעותי ועיוות פלסטי לפני כישלון סופי, עלייה דרמטית של קשיחות.

אופטימיזציה של Crystalline-Amorphous Balance

העוצמה והנוקשות של מערכות גבישיות הן תלותיות הדדית, בשל מספר תופעות המשפיעות על קוויטציה, הפלסטיות קריסטל וכיוון מולקולרי. Achieving הקשיחות האופטימלית דורש איזון גבישי כדי לספק כוח מספיק תוך שמירה על תוכן חסר מצפון עבור פשטות וקליטת אנרגיה.

חומרים עם גבישיות גבוהה מאוד נוטים להיות חזקים אבל מטושטש, כמו התוכן המוגבל מוגבל מגביל ניידות שרשרת ועיוות פלסטיק.הפך, חומרים עם גבישים נמוכים מאוד עשויים להיות דוקטרילי אבל חסר את הכוח הדרוש עבור יישומים מבניים. רמת הקריסטליניות אופטימלית תלויה בדרישות היישום הספציפיות ותנאי התפעול.

ברוב המקרים, העיוות של פולימר סמי-קריסטליני מוביל לעלייה בנוקשות ובכוח של חומר. עיוות מכני יכול לגרום אוריינטציה מולקולרית בשני שלבים גבישיים ו amorphous, יצירת מבנה יותר מתואם ומקושר זה משפר את הכוח והקשה בו-זמנית.

« שקיפות ואפקטומה לבן

לעתים קרובות נראה כי עיוות הפלסטיק של פולימרים גבישיים גורם כמות משמעותית של קוויטציה.סימן אחד של כיווץ הוא פולימר פתאומי לבן ליד נקודת התשואות. הלחץ הזה לבן מתרחש כאשר microרִיקs צורה ופיזור אור, יצירת אינדיקציה גלויה של תהליכי פירוק אנרגיה המתרחשים בתוך החומר.

מינוף דרך crazing נמצא בפולימרים מלוחים שבו עומס רבילי מוחל על אזור מקומי מאוד. ריכוז גבוה של מתח יוביל להיווצרות של סיבירים שבהם רשתות מולקולריות יוצרות חלקים מתואמים.זה גם יוצר חללים הידועים כ cavitation וניתן לראותם ברמה מקרוסקופית כאזור לבן מתח.

Cross-Linking and Network Architecture

חיבור צלב מייצג את היווצרות של אג"ח כימי בין רשתות פולימרים, יצירת מבנה רשת תלת-ממדית.אדריכלות זו משפיעה עמוקות על תכונות מכניות, כולל קשיחות, באמצעות השפעותיה על ניידות שרשרת, הפצה מתח ומנגנוני עיוות.

היתרונות של צלב-קישורים עבור קשיחות

חיבור צלב יוצר קשרים קבועים בין רשתות פולימריות המונעות מדף שרשרת וזרימה תחת לחץ.יש קבוצה נוספת של פולימרים שבו רשת גדולה אחת, במקום מולקולות רבות נוצר במהלך פולימריזציה. מכיוון שהחומרים האלה מורכבים למעשה ממולקולה ענקית אחת, אין תנועה בין מולקולות ברגע שהמסה קבעה. הגבלה זו של תנועה מולקולרית יכולה לשפר יציבות ממדית ולמנוע כישלונות קטסטרופליות כגון משיכה.

עבור פולימרים לא סבוכים, הממצאים שלנו מדגישים את התפקיד העיקרי של כוח חיבור חוצה בקביעת הכוח הכולל של המערכת ואת ההתנגדות לעיוות. בפולימרים מתחת למשקל המולקולרי הסבך, קישורים צלב מספקים את המנגנון העיקרי להעברת מתח בין שרשראות, מה שהופך את צפיפות הקשר ופרמטרים קריטיים כוח עבור ביצועים מכניים.

המשחק בין Cross-Linking ו- Entanglement

אנו חוקרים את האבולוציה המבנית של רשתות פולימרים מפורשות באמצעות סימולציות מולקולריות (MD), תוך הדגשת התפקיד החשוב ששוחק על ידי סבך בין רשתות פולימרים.המחקר שלנו מנקה את התפקיד של רשת החצוצרה במערכות פולימר לא סבוכות ותפקידים המשולבים של סבך ורשתות חוצה במערכות פולימרים מסובכות.

זה מראה כי הסבך לכוד בין קישורים לצרף לתרום את האנרגיה השבר ביותר כמו התרומה של החצו קישורים מוגבל מאוד מאז צפיפות החצובים היא נמוכה. זה מוצא מדגיש כי במערכות מחוברות קלות, רשת הסבך לעתים קרובות ממלא תפקיד משמעותי יותר בנוקשות מאשר הקישורים הכימיים עצמם.

ככל שהמתיחות ממשיכות והסבך מתמעטים, האחריות לשאת את העומס יותר ויותר משתנה לרשת הקרוסינג, המסמלת שינוי קריטי בהתנהגות המערכת.סיינו מתאם ליניארי בין העלייה בסבך לבין העלייה במתח רב-העוצמה במהלך שלב ההתיחה הראשוני.העברה הדינמית הזו בין רשתות סבוכות וקשרות בין מערכות יחסים מתוחכמות בין שתי התכונות המבניות הללו.

הכחשה של הצלב-קישור

היחסים בין צפיפות בין קישורים לקשוחה הם לא מונוטוני, עם טווח אופטימלי שממאזן כוח וגמישות. ב דגני קשר בין-קשר נמוך, הרשת עשויה להיות חסרת כפייה מספקת וכוח, המוביל לכישלון מוקדם באמצעות משיכת שרשרת או עיוות מופרז.עם זאת, חיבור יתר יכול להגביל באופן חמור את הניידות של שרשרת ולהפחית את יכולת החומר לפירוק אנרגיה באמצעות עיוות באמצעות עיוות או עיוות יתר.

פולימרים קשים יותר ובדרך כלל יש להם כוח גבוה יותר מאשר פולימרים תרמופלסטיים. עם זאת, כוח מוגבר זה לעתים קרובות מגיע על חשבון קשיחות, כמו תרמומנטים המחוברים מאוד נוטים להיות מתפתלים ופרונו לשבר קטסטרופלי.מבנה הרשת נוקשה מגביל את היכולת של החומר לעבור עיוות פלסטי ופיזור אנרגיה.

הערך של עובי המטריקס הקריטי (IDc) תלוי ייחודי במבנה המולקולרי: בדחיסות רשת הולכת וגוברת, מזהה מגביר את עצמאותו של מבנה הרשת (סיבוכים או צלבנים) מערכת יחסים זו מעידה כי הן סבך וצפיפות חוצה-קישור משפיעות על הממדים הקריטיים של קשיחות בדרכים דומות, מה שמצביע על מנגנונים משותפים.

מכלול ואדריכלות

עבור סוג זה של מבנה רשת טופס, המיימר חייב להיות יותר משני מקומות עבור בוה להתרחש; אחרת, רק מבנה ליניארי הוא אפשרי.הפונקציונליות של אתרי קישור בין-קשרים - מספר השרשראות שיכולים להתחבר לכל צומת - משפיע באופן משמעותי על תכונות רשת.

ההפצה המרחבית של קישורים צלביים גם משנה.קישורים מבוזרים באופן אחיד מספקים תכונות מכניות טובות יותר מאשר קישורים צלביים מקובצים, כפי שהם יוצרים מבנה רשת הומוגני יותר.קישורים לא חד-וניים יכולים להוביל לאזורים של חולשה שבו סדקים מעדיפים בעדיפות ו propagate.

קבוצות צד ושרשרת גמישות: השפעות מולקולריות

המבנה הכימי של רשתות פולימרים, כולל נוכחות וטבע קבוצות צד, משפיע עמוקות על גמישות שרשרת וכתוצאה מכך, קשיחות.תכונות אדריכליות ברמה המולקולרית הללו קובעות כיצד רשתות קלות יכולות לנוע, לסדר מחדש, ולבטל אנרגיה תחת לחץ מכני.

השפעות של קבוצת בולקי צד

קבוצות צד בולקי המצורפות ל-Ficbackbone יכול להגביל באופן משמעותי את ניידות שרשרת וגמישות.אלה substituents גדולים ליצור hindrance סטריקאי כי מעכב את הסיבוב של אג"ח עמוד השדרה ואת התנועה של פלחי שרשרת. וכתוצאה מכך, פולימרים עם קבוצות צד גדולות לעתים קרובות להציג פחת דבילות ונוקשות בהשוואה לעמיתיהם הלא מעורבים.

The size, shape, and chemical nature of side groups all contribute to their effects on mechanical properties. Rigid, aromatic side groups tend to restrict mobility more than flexible, aliphatic side groups. The spacing between side groups along the backbone also matters—closely spaced bulky groups create more severe restrictions on chain motion than widely spaced groups.

זה גם נמצא כי אני תלוי בטקטיקה של המאקרו-מולקולות. Tacticity - הסדר סטריאוכימי של קבוצות צד לאורך עמוד השדרה הפולימריאים - מקטין הן אריזה וגמישות. פולימרים איסוטה עם כל קבוצות צד בצד של עמוד השדרה לעתים קרובות יותר לתוך מבנים גבישיים, בעוד אטקטינים עם קבוצות צד אקראי נוטה להישאר גמיש יותר וגמפס יותר.

גמישות שרשרת אנרגיה ואנרגיה Absorption

רשתות פולימרים גמישות יכולות לעבור שינויים קונפורציות נרחבים תחת לחץ, להפחית אנרגיה באמצעות סידורים מולקולריים ולא להתחבר נשבר. גמישות זו מאפשרת לחומר לעיוות באופן פלסטי ולספוג אנרגיה משמעותית לפני כישלון.פולימרים עם קבוצות צד מינימלי ועמודי גב גמישים, כגון פוליאתילן, בדרך כלל להפגין קשיחות מעולה עקב הניידות הגבוהה שלהם.

פלסטיק גמיש כמו פוליאתילן ופוליפרופילן הם שונים מפלסטיקים קשיחים כי הם לא מתנגדים לעיוות, אבל הם נוטים לא לשבור.התנהגות זו משקפת את היכולת של רשתות גמישות להכיל מתח באמצעות תנועה מולקולרית ולא שבר.המסחר בין נוקשות ונוקשות הוא שיקול בסיסי בעיצוב פולימרי.

הקשיחות של פולימרים, או התנגדות להשפיע, משתנה עם: מבנה מולקולרי, טמפרטורה מקיפה, סוג של יישומי מתח.מקרה חייב להיות נלקח ביחס גמישות לנוקשות, אבל בדרך כלל, אופי גומי יותר נותן תנופה גבוהה יותר בפירוק וערכי התנגדות טובים יותר, למרות חומרים כאלה יהיה נוקשות נמוכה יותר.

טמפרטורת המעבר של זכוכית

מתחת לטמפרטורת המעבר הזכוכית (Tg) ההשפעה היחסית של משקל מולקולרי על תכונות מכניות עולה כאשר המשטר הניסוי נע מגמישות למולקולסטי למתח גדול ולבסוף בדיקות שבר.טמפרטורת מעבר הזכוכית מייצגת סף קריטי שבו רשתות פולימריות מרוויחות מספיק אנרגיה תרמית כדי לעבור תנועה בקנה מידה גדול.

קבוצות צד שמגבירות את הנוקשות של שרשרת בדרך כלל להעלות את טמפרטורת המעבר של הזכוכית, שכן יותר אנרגיה תרמית נדרשת כדי לאפשר ניידות שרשרת.הפעלה מתחת לתוצאות Tg, התנהגות מזכוכית, תוך הפעלה מעל Tg מאפשרת התנהגות גומיית, קשה.היחסים בין מבנה קבוצתי צדדי, Tg, וטמפרטורת ההפעלה חיונית לחיזוי ביצועים חומריים.

טמפרטורה - שינוי בהתנהגות בדוכסות - טמפרטורת מעבר מהירה. ענפי שרשרת ארוכים - סניפי שרשרת ארוכים עשויים להגדיל את הקשידות פולימרית.שקע שרשרת ארוכה יוצר סוג שונה של מורכבות ארכיטקטונית מאשר קבוצות צד קצרות. ענפים מורחבים אלה יכולים להשתתף בסבך ולספק מנגנונים נוספים לפירוק אנרגיה.

אסטרטגיות מתקדמות ומכניזם

מעבר לפרמטרים של המבנה המולקולרי הבסיסי, כמה אסטרטגיות מתקדמות יכולות לשפר את הקשידות פולימר באמצעות מניפולציה מתוחכמת של מיקרו-מבנה והרכב.

אוריינטציה מולקולרית וציור

עלייה מרשימה של כוח רב-קרקעי של פולימרים גבישיים הושג בעבר על ידי הטלת אוריינטציה מולקולרית, ניצול כוח חוב פחמן-פחמן. ציור מכני או תהליכים אוריינטציה אחרים ליישר שרשראות פולימרים לאורך הכיוון של מתח יישומי, יצירת חומרים אנזוטרופיים מאוד עם כוח יוצא דופן ונוקשות בכיוון.

קשיחות נקבעת בעיקר על ידי יחס המאקרוסקופי המקסימלי מאז הלחץ הניב של רוב הפולימרים בערך זהה (50-80 MPa) היכולת של פולימר לעבור ציור נרחב לפני הכישלון ישירות עם קשיחות שלו. חומרים שיכולים להשיג יחסים גבוהים למשוך מתפזר כמויות עצומות של אנרגיה באמצעות תהליך אוריינטציה.

מיקסום וקומפוימריזציה

ייתכן שיהיה צורך להקריב כוח לנוקשות למשל.אבל לפעמים אנחנו יכולים לשלב שני פולימרים עם תכונות שונות כדי לקבל חומר חדש עם כמה מהתכונות של שניהם.יש שלוש דרכים עיקריות לעשות את זה, והם הם copolymerization, ערבוב, ועשיית חומרים מורכבים.

פוליטוריקן גבוה, או HIPS בקיצור, הוא תערובת בלתי נמנעת המשלבת את המאפיינים של שני פולימרים, סטיילן ופוליבוטאדין.שלב גומי HIPS פועל כמצטר לחץ המתיזום גילוח והיא מתנבאת, מגבירה דרמטית את ספיגה אנרגיה ונוקשות בהשוואה לפוליסטרון טהור.

ניתן להפחית את התרחשות הכישלון החריף: הגדלת המשקל המולקולרי, הכללה של שלב גומי, הפחתת נטייה בפולימרמן וצמצום פגמים פנימיים ומזהמים. גישות מרובות אלה ניתן לשלב סינרגיות כדי להשיג קשיחות יוצאת דופן במערכות פולימר מונדס.

בקרת Defects ו- Micro Structure

הכוח הנמוך של פולימרים בהשוואה לערכים שנצפו באופן תיאורטי הם בעיקר בשל פגמים מיקרוסקופיים רבים שנמצאו בחומר. פגמים אלה הם חסרונות, גבולות גבישיים, תת-קרקעיים ומבנה בלוקים יכולים להוביל להתפלגות הלא אחידה של מתח מכני.מיניזציה פגמים באמצעות עיבוד קפדני וטיהור יכול לשפר באופן משמעותי את הקשודות על ידי חיסול אתרי ריכוז שבו הם מעדיפים יזום באופן משמעותי.

קצב וסוג של קירור של תהליך ייצור הפלסטיק משנה גם את ההסדר המולקולרי של פולימרים וזה יכול להיות השפעה על התנהגות השבעה.תנאי עיבוד להשפיע עמוקות על המיקרו-מבנה הסופי, כולל גבישיות, גודל גבישי, אוריינטציה, צפיפות פגומה.

יישומים מעשיים ובחירת חומרית

הבנת מערכות היחסים של המבנה המולקולרי מאפשר בחירה חומרית מושכלת ועיצוב עבור יישומים ספציפיים. יישומים שונים דורשים איזון שונה של תכונות, הדורשים שיקול זהיר של אדריכלות מולקולרית.

דרישות פרוצדורות סטיות

עבור יישומים מבניים הדורשים כוח גבוה ונוקשות, כגון רכיבי אווירוקל או חלקי רכב, פולימרים עם משקל מולקולרי גבוה, גבישי מתון, ואופטימיזציה של חיבורי צלב נבחרים בדרך כלל. על משקולות מולקולריות נמוכות - מתחת סף הסבך הקריטי - פוליפרופילן (PP) אין את הכוח המכאני שהוא צריך עבור שלמות מבנית.

המשקל המולקולרי חייב להיות גבוה מספיק כדי להבטיח צפיפות סבך נאותה, אבל לא כל כך גבוה כי עיבוד הופך לא מעשי. עבור כל יישום, המשקל המולקולרי של הפולימר הוא מכוון בזהירות להשיג את האיזון הנכון של כוח ותהליךיות. יותר מדי של דבר טוב יהיה לקלקל אותו, כמו עלייה במשקל מולקולרי גבוה מדי עושה את זה יותר ויותר קשה לעבד.

דרישות בעלות השפעה

יישומים הקשורים להטעה, כגון ציוד מגן, אריזה או מוצרי צריכה, דורשים חומרים עם יכולות ספיגת אנרגיה יוצאת דופן. פולימר טוב מוגדר בדרך כלל כאחד מסוגל לספוג כמות גדולה של אנרגיה לפני כישלון.פוליקרבנים יש אחד מערכי ההתנגדות המשפיעים הגבוהים ביותר.חומרים אלה להשיג קשיחות באמצעות שילוב של משקל מולקולרי גבוה, גמישות נאותה שרשרת, ולעתים שילוב של שלב גומי או סוכנים קשים אחרים.

קשיחות בפלסטיק קובעת כמה טוב הם מתנגדים לנזק ולתמיכה ביישומים בעולם האמיתי.נכס זה מבדל בין חומרי הגלם המנפץ את ההשפעה ואת אלה הקשים שיכולים לספוג אנרגיה משמעותית באמצעות עיוות לפני שנכשל, משפיע ישירות על בטיחות המוצר ואמינות.

יישומים גמישים ואסטומריים

עבור יישומים הדורשים גמישות וחוססן, כגון חותמות, כרטיסי גז, או סרטים גמישים, פולימרים עם גבישי נמוך יותר, מינימלי cross-linking, ועמודי גב גמישים הם העדיפו. Elastomers ו פולימרים thermoset הם תת-classes של פולימרים שבו רוב הסבך החוזק מוחלפים על ידי אג"ח כימי המקשר רשתות פולימרים שונים במבנה קבוע.

האיזון בין חיבור בין cross-linking לבין ניידות שרשרת הוא קריטי ב elastomers. Sufficient cross-linking מספק התאוששות גמישה, בעוד ניידות שרשרת נאותה בין קישורים צלב מאפשר עיוותים גדולים ופיזור אנרגיה.

בדיקות ואופי של קשיחות פולימר

מדידה מדויקת של קשיחות פולימרית חיונית לפיתוח חומרים, בקרת איכות וחיזוי ביצועים. שיטות בדיקה שונות מספקות מידע משלים על היבטים שונים של קשיחות.

שיטות בדיקה

הקשיחות של הפלסטיק נמדדת על ידי התנגדותם להשפעות.מבחן ההשפעה הוא היכולת של חומר לספוג אנרגיה במהלך עיוות הפלסטיק.זה מסמל קשיחות או השפעה של חומר.השתי השיטות הנפוצות ביותר לקבוע קשיחות כוללות: Izod ו- Charpy Test. אלה בדיקות סטנדרטיות למדוד את האנרגיה הנדרשת כדי לשבור דגימות לא מכווצת תחת עומס מהיר.

בדיקות איזוד משמש למדידת האנרגיה הנדרשת כדי לשבור דגימה לא מצופה. עם זאת, זה לא נחשב כמבחן משביע רצון. הגבלה גדולה היא כי רוב הפולימרים כרגישים ולא להיכשל בקלות תחת מבחן izod. נוכחות של לאץ' יוצרת ריכוז שיכול להוביל לערכים קשיחים נמוכים מלאכותיים, במיוחד עבור חומרים לא רגישים.

« « « « « « « « « « «»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»

בדיקות מכניקת Fracture מספק מידע בסיסי יותר על עמידות לנפץ והפצת חומרים אלה למדוד פרמטרים כגון קשיחות שבר (KIC), קצב שחרור אנרגיה לחץ קריטי (GIC), ו-J-integral, אשר מאפיין את ההתנגדות של החומר לפצח צמיחה בתנאים מבוקרים.

כשל ברכיבי פולימרים יכול להתרחש ברמות לחץ נמוכות יחסית, רחוק מתחת לחוזק הפורש בגלל ארבע סיבות עיקריות: לחץ לטווח ארוך או קרע חולף, לחץ מחזורי או עייפות, נוכחות של פגמים מבניים וסוכני לחץ.הבנת מצבי כישלונ אלה דורש בדיקות מקיף בתנאי טעינה שונים וסביבות.

ניתוח מתח - Strain Analysis

זה משווה עקומות הלחץ האופייניות לסוגים שונים של פולימרים.You יכול לראות את העלילה הירוקה כי פלסטיק נוקשה כגון פוליסטיילרין, פולי(methylthacrylate או פוליקרבונט יכול לעמוד הרבה לחץ, אבל הם לא עומדים הרבה מעבר לפני ששבר.

אז אנחנו אומרים כי חומרים כאלה חזקים, אבל לא מאוד קשה.בפלסטיקים קצרים ונוקשות נוטים להיות חזקים, מתנגדים לעיוות, אבל הם נוטים לא להיות קשים מאוד, כלומר, הם מתפתלים.צורת עקומת הלחץ מגלה מידע חשוב על מנגנוני עיוות וצורות כשל.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

ההתקדמות במדעי פולימרים ממשיכה לחשוף אסטרטגיות חדשות לשיפור הקשידות באמצעות עיצוב מולקולרי וחדשנות לעיבוד.

עיצוב סימולציה וסימולציות

Umeno et al. חקר את תהליך השבעה בפוליקרבונט באמצעות דינמיקות מולקולריות coarse-gravated (CGMD) סימולציות ומצא כי מעבר מצב הכשל המתפתל קשור למשקל המולקולרי של שינוי מ unentangled למשטר סבוך. שיטות Computational מאפשרות יותר ויותר חיזוי של תכונות מכניות ממבנה מולקולרי, שיפור חומר פיתוח וצמצום עלויות ניסיוניות.

סימולציות מולקולריות יכולות לחשוף מנגנונים מפורטים של עיוות וכישלון ברמה המולקולרית, לספק תובנות המנחים עיצוב חומרי רציונלי.כלים חישוביים אלה משלימים את האופיזציה הניסויית ומאפשרים לחקור של ארכיטקטורות מולקולריות שעשויות להיות קשות או יקרות לסנתז.

ננוקום וחומרים היברידיים

אסטרטגיה אוניברסלית לשיפור הקשידות והעוצמה של תערובת פולימר באמצעות מסגרת מתכת-אורגנית ligand-modulated (MOF) חלקיקים מוצג, אשר מונדסים יש הידרופיליות ו lipophilicity על ידי שינוי הסוגים והיחסים של ligauccis (pide) בהתאמה, 0.1% בלבד של חלקיקים עם חלקיקים אופטימיזציה של חומצה פוליפילית (FD) ו-picial (pide) (p) (picial) (p) (ply) (Dipy) (D) (Dipicial) (Dipy) לעומת 1.1ACT) (Dipy) (Dipy) לעומת 1.1A) (Fly) (Dipy) (D) (D) לעומת 1.1B) (Dipy) (Fly) (Fly) (D) לעומת 1.1B) (D) (pliffine) (Fly) (Dipy) (D) (Digital) (Fly) לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 1.1.com) (pliffine) (pliffine) (pliffine) (D) (D

שילוב של חלקיקים nanoparticles, nanofibers, או חיזוקים ננומטריים אחרים מציע הזדמנויות חדשות לשיפור קשיחות ללא הקרבת נכסים אחרים. תוספת של חלקיקים הובילה להיווצרות של מבנה מסודר מאוד עם כמות עצומה של סבך, שבו הפולימר הוא ננוסקופיה מוגבלת באופן מפומצם. אלה גישות nanoscopposite יכול ליצור אפקטים סינרגיים כי על הביצועים של רכיב בודד.

חומרים מתוחכמים ובר קיימא

הטבע מספק דוגמאות רבות של חומרים קשים עם מבנים היררכיים וארכיטקטורה מולקולרית מתוחכמת. למידה מחומרים ביולוגיים כגון משי, nacre, ועצם יכולה לעורר השראה עיצובים פולימרים חדשים להשגת קשיחות יוצאת דופן באמצעות גישות ביו-מימיות.בנוסף, פיתוח פולימרים קשים ממשאבים מתחדשים מטפל בדאגות קיימות תוך שמירה על ביצועים גבוהים.

השילוב של כימיה בת קיימא עם עקרונות עיצוב מולקולריים מתקדמים מבטיח לספק את הדור הבא של ביצועים גבוהים, חומרים פולימרים אחראי לסביבה.

המונחים: integrating Molecular Design Principles

הקשיחות של חומרים פולימרים מופיעה מתוך שילוב מורכב של פרמטרים במבנה מולקולרי, כולל משקל מולקולרי, סבך שרשרת, קריסטלנות, cross-linking, ואדריכלות שרשרת. oughness, מהירויות, גמישות ואפילו תכונות תרמיות מושפעות על ידי תופעה מולקולרית-דרגתית זו.הרעיון המרכזי כאן הוא כי משקל מולקולרית הוא כי מה הוא גורם: סבך.

עיצוב חומרי מוצלח דורש הבנה ואיזון גורמים מרובים אלה כדי להשיג את השילוב הרצוי של תכונות עבור יישומים ספציפיים. בעוד זה טוב עבור חומרים ברבים של יישומים יש מודולולי גבוה והתנגדות עיוות, בעולם האמיתי זה הרבה יותר טוב עבור חומר להיות nd מאשר לשבור, ואם כיפוף, מתיחה או deforming בדרך אחרת למנוע את החומר משבר, כל טוב יותר כאשר אנו מעצבים חדש, או מעט יותר, לעתים קרובות, חומר מורכב כדי לעשות קצת יותר, כדי לנקות, או קשה יותר, כדי לעשות קצת יותר, כדי לנקות, כדי לנקות את זה קצת יותר, 000.

על ידי יישום העקרונות המפורטים במדריך זה, חומרים מדענים ומהנדסים יכולים לקבל החלטות מושכלות על בחירת פולימרים, עיצוב מולקולרי ותנאי עיבוד כדי לייעל קשיחות עבור יישומים תובעניים.ההמשך התקדמות של טכניקות אפיון, שיטות חישוביות ויכולות סינתזה מבטיח אפילו שליטה רבה יותר על מבנה מולקולרי וכתוצאה מכך, ביצועים מכניים בחומרים פולימרים עתידיים.

לצורך מחקר נוסף של תכונות מכניות פולימרים ובחירת החומר, בקר ב-FLT:0 (המידע הטכני הנוסף של מהנדסי הפלסטיק) 1 ו-FLT:2,2 מקורות פולימרים של האגודה הכימית האמריקאית:2, מידע טכני נוסף על מכניקת שבר ניתן למצוא ב-FLT:4NIST של חטיבת פולימר פולימר פולימר:5 הבנת מערכות יחסים מולקולריות אלה-פרוספקיות מאפשרות את דרישות הפיתוח המתקדמות יותר ויותר להתמודד עם אתגרים של קיימות.