הפיתוח של פולימרים מעובדים מייצג שינוי פרדיגמטי בחומרים הנדסיים, מטפל בביקוש הגובר לאסטרטגיות תכנון בר קיימא, ביצועים גבוהים לשלב חומרים תרמופלסטים קונבנציונליים ותרמוsets. בניגוד לפלסטיקים מסורתיים שמצמצמצמים לאחר מחזור שימוש יחיד או דורשים מחזור מכני אנרגיה רב עוצמה אשר לעתים קרובות משלבים תכונות מיקרוסקופיות גבוהות של חומרים מכניים ואופטימיים קבועים שלהם נועדו ברמה המולקולרית להיות בצורת, מתוקנת, וחדשנית עם מספר רב של תכונות מכניות מינימליות של תפקוד מכניות של כימיקלים מתקדמים של תפקוד מכניות של תכונות מכניות סטנדרטיות סטנדרטיות של כימיקלים מתקדמים של דינמית של דינמית של דינמית של דינמית של דינמית של דינמית של דינמית של , אופטימיזציה מיקרוסקופית שלהם.

הבנת פולימרים מעובדים: מעבר למחזור מסורתי

פולימרים מעובדים, הידוע גם כחומרים הניתנים למחזור, ניתנים להגדרה, או חומרים vitrimer, בעלי יכולת ייחודית לעבור תגובות החלפת אג"ח בלתי הפיך תחת גירויים חיצוניים כגון חום, אור או חומר כימי. הנכס הזה מאפשר להם להיות מומס, מעוצב, מפורח, או ממעבד מחדש תוך שמירה על המשקל המולקולרי שלהם וביצועים מכניים, בניגוד, תרמופלסטיים לעתים קרובות על שרשרת פשוטה, אשר לא ניתן להפחתה של רכוש, אשר לעתים קרובות מחוסמת, רק לאחר הפחתת כל מחזורים פשוטים, או מחוספס, אשר לעתים קרובות, רק לאחר הפחתת כל מחזורים, רק לאחר הפחתת משקל מולקולרית, אשר לעתים קרובות, או מחוספסת, רק לאחר ירידה מולקולרית, או מחוסמת, או מחוסמת, רק לאחר ירידה אוטומטית, או מחוספסת, רק לאחר ירידה קלה, אשר לעתים קרובות, אשר לעתים קרובות, לא יכול להיות מכוכים, רק לאחר ירידה מולקולרית, רק לאחר ירידה קלה, או מחוספסת, אשר לעתים קרובות, רק לאחר ירידה אוטומטית, רק לאחר ירידה קלה, לא יכול להיות מחוסמת, או מחוספסת, לא יכול להיות מחוספסת, לא יכול להיות מחוספסת, או מחוס

הכימיה הבסיסית מאחורי פולימרים מעובדים רבים כרוכה אג"ח דינמי שיכול לשבור וחדש-form reversibly. דוגמאות כוללות החלפת דיסulfide, טרנססטרציה, esterification boronic, החלפת איפין, ותגובות טרנסדמינציה.כאשר משולבים ברשתות פולימרים, אגרות חוב אלה מאפשרות רגיעה, healing עצמית, ושיקום ללא מתודולוגיה של המבנה המיקרו-קישורים אלה מתמקדת בין הדינמיקה של , לבין דינמיקה דינמיקה דינמית , לבין , לבין דחיסות דינמית , לבין דחיסות , בין דינמית , לבין למערכות דינמית , , , , כדי להשיג למערכות דינמית , , , כדי להשיג , דחיסות , , , למערכות למערכות דחיסות , , , למערכות דינמיקה , ⁇ , , , , , ⁇ ⁇ , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יתרונות מרכזיים של פולימרים מעובדים על חומרים קונבנציונליים כוללים:

  • (FLT:0) מרביל מעבד מחזורי מחזורי 1FIRLT:1) חומרים ניתן לעצב מחדש, ממוחזר, ולהשתמש בו מחדש 10, 20, או אפילו יותר פעמים ללא אובדן משמעותי של כוח או של פלואוו.
  • (FLT:0) חינוך טביעת רגל סביבתית (FLT:1) - צריכת אנרגיה נמוכה יותר במהלך עיבוד בהשוואה לדה-דו-מרוניזציה כימית או אי-החייאה, והתאמה ליעדי כלכלה מעגליים.
  • (ב) [15] ,ההתמדה של רצף 1 (ב) , איגרות חוב דינמיות יכולות גם לאפשר קיום עצמי של מיקרו-קפיצ'רים ולהרחיב את חיי השירות.
  • (FLT:0)עיצוב גמישותFLT:1) - טואלט מ elastomers רך כדי פלסטיק הנדסה קשיח על ידי התאמת פרמטרים מיקרו-מבנה.

אופטימיזציה של מיקרו-מבנה: המדע מאחורי ביצועים

המבנה המיקרו של פולימר - כולל גבישיות, אזורים אחורניים, אוריינטציה, מורפולוגיה שלב וחלוקה crosslink - שולט בתכונות המאקרוסקופיות שלה כגון קשיחות, קשיחות, יציבות תרמית והתנגדות זחילה.עבור פולימרים מעובדים, השגת מבנה מיקרו אופטימלי הוא מאתגר במיוחד כי אותם אג"ח דינמי המאפשר עיבוד מחדש יכול גם להקל על שרשרת לא רצויה במהלך שירות, פוטנציאל להוביל לאובדן ראייה חיוני.

המונחים: Microstructural Parameters

  • (FLT:0Crystallinity and Crystalline MorphcioologyFLT) 1:1 - דומיין קריסטל פועלים כקשרים פיזיים ואלמנטים מחזרים.שליטה בקירור, נשימה וסוכני נינקיה יכולים לכוון רמות גבישיות מגודל חצי-קריסטלי כמעט amorphous.
  • (FLT:0) הפרדה בבלוק CopolymersveFLT:1 ; בלוק copolymers המכיל בלוק אחד מעובד בלוק אחד חסימה קשיח אחד יכול microphase-separate לתוך nanostructures הורה (lamellar, cylindrical, gyroidal) זה מניב קשיחות רבה וכוח על ידי שילוב של מחסומים רכים וקשה שליטה.
  • (FLT:0Crosslink Density and HomogeneentiityFLT) 1 - ב-Viterimers, צפיפות crosslink משפיעה ישירות על טמפרטורת מעבר הזכוכית, Modulus גומי, ומעבד מחדש טמפרטורה. צפיפות צלב אופטימלית מספק מספיק קשיחות לשימוש הנדסי תוך שמירה על החלפת הקשר אנרגיה נמוכה מספיק עבור עיבוד מעשי.
  • (FLT:0)Molecular OrientirationFLT:1 - Extrusion, סיבים מסתובבים או מתיחה בלתי-אקאלית יכולים ליישר שרשראות פולימרים לאורך כיוון, שיפור דרמטי של חוזק ומודולולוות בציר זה.עבור פולימרים מעובדים, נטייה ניתן לשמור גם לאחר עיבוד מחדש אם הרשת יש השפעות זיכרון, אבל שליטה זהירה של זמני הרגיעה היא הכרחית.

טכניקות להתאמה

הבנה וקידוד תכונות מיקרו-תרבותיות אלה דורשות כלי אפיון חדשניים.טכניקות מועסקות בדרך כלל:

  • פיזור רנטגן רחב (WAXS) ופיזור רנטגן קטן (SAXS) כדי לחקור גבישיות ונומטרימורולוגיה.
  • מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM) ו- העברת מיקרוסקופיה אלקטרונים (TEM) כדי לדמיין את הפרדת השלבים ואת אחידות הקשר.
  • סריקה שונה של calorimetry (DSC) וניתוח מכני דינמי (DMA) כדי למדוד מעברים תרמיים ונכסים מולקולטיים.
  • ריולוגיה עם ניסויים הרפיה בלחץ כדי לכמת קינטיקה חילופי אג"ח והתנהגות vitrimer.

חידושים חדשים בעיצוב של Polymer

בחמש השנים האחרונות, החוקרים עשו צעדים משמעותיים ביצירת פולימרים מעובדים עם מיקרו-אורגניזמים המתחרים או מעבר לפלסטיקים הנדסיים קונבנציונליים.

רשתות דינמיות בעלות שליטה טופולוגיה

על ידי שליטה מדויקת של האדריכלות המולקולרית של רשתות קו-שוויון דינמי, מדענים פיתחו חומרים עם שילובים חסרי תקדים של כוח, קשיחות, ושיקום מחדש.לדוגמה, מחקר AFLT:02019 ב-FLT:1ScienceFLT:2uaFLT:2uaFLT:3 הציגה מעמד חדש של vitscaleers המבוססים על אג"ח שפירים הראו טמפרטורה גבוהה (150 ° C) וניתן היה לשלוט על ידי ניתוח מינימלי של מיקרו-מחוסם רק על ידי מיקרו-מדור עם פגום.

בלוק Copolymer Vitrimers עם היפרארכיאלפילות

שילוב בלוקים בהערכה עצמית עם קישורים דינמיים פתח נתיבים חדשים כדי למנוע מחזורי מחזוריים קשים, מחזורי מחזוריים קשים, למשל, חומצה פולית (חומצה גלקטית) - LILT:0IRMPFLT 85% (MAFLT 1-poly) נשמר על ידי מחזורי שטח חסימת חומר נוזלי (Douylene-co-butylenelenelenelenelene) חסם עם אג"ח דינמי מבוסס אטומים ללא ספק (R) הוצגו ב-F:2FLT) 2, 2.

פולימרים מבוססי עיבוד ביולוגי עם מיקרו מבנים אופטימיזציה

דרישות קיימות לנהוג בשימוש של מזון מתחדשים. לאחרונה, פולימרים מעובדים שמקורם ב- lignin, cellulose nanocrystals, ושמן צמחי פותחו.דוגמה בולטת היא רשת פוליאורתנית דינמית המשלבת את צינורות מיקרו-אלט:0furan-Alder להוסיף uctsFLT:1 כי אפשרה עיבוד מחדש בטמפרטורות מתונות (מתאים מרובים) אשר נבנות על ידי שיפור תאים מרובים.

בקרת ייצור-הספקי של מיקרו-מבנה

טכנולוגיות הדפסה תלת מימדיות, במיוחד ייצור filament ממוזג (FFF) וכתיבה ישירה, ממותמות כדי להתאים את המיקרו של פולימרים מעובדים במהלך ייצור.על ידי שליטה מדויקת טמפרטורה הדפסה, מהירות ושכבה, החוקרים יכולים לכוון היווצרות גבישי וכיוון מולקולרית חשובה רק לאחר ניתוח 2024K באמצעות טיפול תרופתי (ether ether ketone) (EEK) עם anamated חוזק דומה עם ירידה של 3 Cchanged עם לחץ דם מודפסת.

יישום הנדסי: מטיפוסים לייצור

התכונות המוגברת ניתן להשיג באמצעות אופטימיזציה של מיקרו-מבנה מאפשרות לפולימרים מעובדים להחליף חומרים קונבנציונליים ביישומים הנדסיים תובעניים על פני תעשיות מרובות.

מגזר הרכב

יצרני רכב נמצאים תחת לחץ להפחית במשקל ולגדל את יכולת המחזור ללא היערכות של בטיחות או עמידות. פולימרים מעובדים מציעים דרך כדי לעמוד ביעדים אלה.לדוגמה, תערובת פוליפרופילן דינמית (PP) משמשים עבור לוחות תלת-מפנים ותחת רכיבי פורד על ידי שליטה על המיקרו-מבנה - במיוחד, השגת מורפולוגיה משותפת בין שלב גמיש ואפקטיבי זהה (שלב קבוע) עם חומרים סטנדרטיים אלה.

התפתחות מבטיחה נוספת היא השימוש בפוליאורתטן elastomers לעיבוד עבור שיחים השעיה וחותמות.אופטימיזציה של הפרדה מיקרו-phase בין פלחים קשים ורכים - ושילוב אג"ח דינמי oxime carbamate - מניב חומרים שמראים את המודולולים שלהם ו moisting נכסים מעל טווח טמפרטורה רחב (-40 עד 120 מעלות צלזיוס) תוך שהוא ניתן למחזור על ידי עובש או לחיצה על אופניים חמים ב-160 מעלות צלזיוס.

אוויר והגנת

בחלל, ירידה במשקל, סובלנות ותיקון הם ראשי התיבות של Reprocessset הם החל להחליף תרכובות מסורתיות המבוססות על epoxy עבור מבנים משניים כגון לוחות פנימיים ו ירידות. Vitrimer מבוסס סיבי פחמן המבוססים על Vitrimer עם אג"ח ester דינמית הוכחו על ידי FLT:0NASA חוקרים FLT:1 כדי להיות בעל כוח בין-מחדשה 40 ampirtextative - המאפשרת אחסון טוב.

אלקטרוניקה והנדסת חשמל

פולימרים מעובדים הם מציאת יישומים בלוחות מעגלים מודפסים (PCBs) ו- encapsulants. thermoset substrates מסורתי לא ניתן למחזר, המוביל ל- e-waste מסיבי לאחרונה, צוות באוניברסיטת טוקיו פיתח פולימר עתיר עתיר עתיר מבוסס על פולימיסטים עם אג"ח דינמיים של דיספלט.

אתגרים ואסטרטגיות לאופטימיזציה נוספת

למרות התקדמות מהירה, כמה אתגרים נותרו לפני פולימרים מעובדים יכולים להחליף באופן מלא את הפלסטיק ההנדסי המסורתי בכל יישום.

  • (FLT:0Creep and Stress RelaxationFLT:1) איגרות חוב דינמיות המאפשרות עיבוד מחדש יכולות גם לגרום למצוץ קבוע, במיוחד בטמפרטורות גבוהות.אסטרטגיות כדי להפחית את השימוש ב-"קשה" קבוע לצד אלה דינמיים, או שילוב רשתות מילוי קשיחות כי מסדירות את השרשראות.
  • (FLT:0) עיבוד טמפרטורה וטמפרטורת השירות טמפרטורה 1 ; הטמפרטורה המחודשת חייבת להיות גבוהה מספיק כדי להפעיל החלפת האג"ח במהירות, אך נמוכה מספיק כדי למנוע השפלה של עמוד השדרה הפולימריא.מיקרו הנדסה הפנתה זאת על ידי תכנון רשתות עם מנגנוני הפעלה כפולים - אחד לעיבוד מחדש ואחד עבור שירות, מושג באמצעות אג"ח דינמי אוט-אוטוקונים.
  • (FLT:0Scaling Upcio ProductionFLT:1) - פולימרים רבים מעובדים מסונתז בקבוצות קטנות באמצעות זרזים יקרים.עבור לייצור תעשייתי דורש פיתוח של מונומרים יעילים וזרזים, כמו גם שיטות עיבוד חזקות כמו רטירקציה תגובתית והזרקה עם בקרת החלפת קישורים משולבת.
  • (FLT:0)Fatigue ו- Long-Term DurabilityphabilityphLT:1) - ההשפעה של עיבוד חוזר על החיים בעייפות ארוכת טווח עדיין לא מובן היטב.מחקרים אחרונים מצביעים על כך שבעוד שנכסים סטטיים עשויים להיות נשמרים היטב, עייפות סדקים סדקים יכול להאיץ בשל אינספור שלשלאות של שרשרת שאריות מרכיבי אופניים תרמיים חוזרים.

פרספקטיבה עתידית ודרכים מחקר

תחום פולימרים מעובדים עם מיקרו-מבנה מותאם מתפתח במהירות, וכמה כיוונים מרגשים צפויים לעצב את העשור הבא של חומרי הנדסה.

עיצוב מיקרו-מבנה

בהתחשב המורכבות של אינטראקציות בין הפרמטרים לעיבוד, מבנה כימי ואבולוציה מיקרו-רסאלית, מודלים של למידת מכונה (ML) מאומנים לחזות ניסוחים אופטימליים.לדוגמה, רשת עצבית המוכשרת על אלפי יצירות ותנאי עיבוד עשויים להמליץ על ניסוח פולימר אשר משיג מטרה עשרות כוח עיבוד מחדש של טמפרטורה בתוך כמה שניות.

Multi-Stimuli Reprocessable Polymers

פולימרים עתידיים עשויים להגיב לגירויים מרובים - חום, אור, pH או כוח מכני - המאפשר עיבוד סלקטי או הערכה עצמית.לדוגמה, פולימר המכיל הן אג"ח דינמי רגיש לאור רגישות חום יכול להיות לרפא באופן מקומי על ידי אור UV ממוקד ללא חימום החלק כולו. מיקרו הנדסת מבנים יהיה קריטי כדי להבטיח כי סוגי האג"ח השונים הם חסומים מרחביים כדי למנוע התערבות.

שילוב עם תשתית כלכלה מעגלית

אימוץ נרחב ידרוש כי פולימרים מעובדים תואמים עם זרמי מחזור קיימים.מחקר מתקדם לפיתוח פולימרים מעובדים שניתן למיין אותם ולעבד אותם לצד פוליאו-פינים קונבנציונליים, פוליסטרים, או פולימידים באמצעות ציוד תעשייתי סטנדרטי עם שינויים קלים רק לטמפרטורה ופרופילי זמן.

מערכות סגורות-Loop

המטרה הסופית היא מחזור חיים סגור: מונומרים ממקורות מתחדשים, פולימריזציה יעילה, חיי שירות מורחבים באמצעות הערכה עצמית ושיקום, ולבסוף מחזור כימי בחזרה למונומרים כאשר תכונות מכניות מתפוגגות מתחת לסף. אופטימיזציה מיקרו מבנין משחק תפקיד בכל שלב - החל מהעיצוב המולקולרי הראשוני ועד הקינטיקה של פירוק הדה-פומביי.

מסקנה

חידושים בפולימרים מעובדים עם מיקרו-מבנה מותאם הם פותחים דור חדש של חומרים הנדסיים המשלבים את הביצועים הגבוהים של thermosets ותרמופלסטיקה עם קיימות של מחזור מלא.באמצעות שליטה זהירה של גבישים, מורפולוגיה בשלב, אחידות חוצה, וכיוון מולקולרי, החוקרים השיגו חוזקות של יותר מ -100 MPa זכוכית, מעבר טמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס, ויכולת להחלמה גבוהה יותר מ- 10 חודשים, בעוד שעדיין לא-זמנית חומרים מתקדמים, ללא חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, ללא שינוי חומרים מתקדמים של התפתחות אופטיקה, או מודלים מתקדמים, או מודלים מתקדמים, ללא טיפול פלסטיים, ללא טיפול, ואפקטים, ללא טיפול, ואפקטים, ואפקטים, ואפקטים מתקדמים, ואפקטים מתקדמים של חומרים מתקדמים, ללא טיפול חוזר, ואפקטים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים, עם התפתחות מתקדמת של חומרים מתקדמים, ללא טיפול חוזר, ואפקטים, עם התפתחות מתקדמת יותר של חומרים מתקדמים, עם התפתחות מתקדמת של תאים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים, ללא טיפול תרופתי, וגמישות לטווח ארוך של תאים מתקדמים, וגמישות לטווח ארוך יותר של תאים מתקדמים, וגמישות לטווח ארוך יותר, וגמישות, וגמישות