פולימרים הם בין החומרים הנפוצים ביותר בייצור מודרני, להופיע במוצרים החל מאריזות חד פעמיות כדי לטעון רכיבי חלל רבייה. בעוד שהרכב הכימי שלהם ומשקל מולקולרי הם קריטיים, הסדר המרחבי של רשתות פולימרים - הנטייה שלהם - משחק תפקיד מכריע באותה מידה בקביעת ביצועים מכניים.על ידי התאמה מכוונת של רשתות מולקולריות במהלך עיבוד, מהנדסים יכולים ליצור חומרים עם כוח משופר, קשיחות, עמידות, עמידות ואפקטים של תכונות מתקדמות של שליטה מכנית.

מה זה אוריינטציה מולקולרית בפולימרים?

אוריינטציה מולקולרית מתארת את התואר שבו רשתות פולימר מתואמים בכיוון מועדף.בחומר איזוטרופי לחלוטין, שרשראות מסודרים באופן אקראי, המוביל לנכסים אחידים בכל הכיוונים.בניגוד, מציג פולימר מוכוון anisotropy: התכונות מכניות, אופטיות, תרמיות שונות בהתאם לכיוון המדידה.הכיוון יכול להיות unxial (שרשרת מיישר לאורך ציר יחיד) או חד-צדדי), שני מאפיינים שונים (מדומים, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, בהתאמה, או חד-מדומים, בהתאמה, בהתאמה, שני מאפיינים שונים.

הכוח המניע לאוריינטציה מגיע מתחומים חיצוניים במהלך עיבוד - Shear זרימה ב extrusion, elongation in סיבים מסתובבים, או מתיחה בייצור סרטים.כאשר רשתות פולימר הן ארוכות ומורכבות, הם מתנגדים להיערכות; אבל עם די עיוות, הם לא יכולים להחליק ו להחליק מעבר זה, אימוץ התאמה מורחבת יותר.

האוריינטציה אינה מוגבלת לפולימרים amorphous. in half-crystalline פולימרים כמו פוליאתילן (PE) ופוליפרופילן (PP), השליש קריסטל עצמו יכול להיות מוכוון, עוד יותר מגביר את האנזוטרופיה.המשחק בין אוריינטציה גבישית ושרשרת amorphous תורמות לתגובה המכנית הכוללת.

מכניזם של הגדלת רכוש באמצעות שרשרת Alignment

העברה והפצת מתח

כאשר פולימר נתון ללחץ רבילי, העומס מועבר לאורך השדרה פולימרית.בחומר מוכוון באקראי, שרשראות רבות הן blique לכיוון הלחץ, כך רק חלק מהעומס הישומי מועבר על ידי אג"ח קוהנדסה.הרבה מהלחץ הוא במקום להכיל על ידי אינטראקציות חלשות של ואן דר ואגאל בין שרשראות, המוביל להניבות מוקדמות או שבר.

Crystallinity and Orientation Synergy

בפולימרים למחצה, אוריינטציה לעתים קרובות מגבירה את הקריסטליות על ידי הפעלת אריזה שרשרת.השרשראות המיושר לשמש nuclei לצמיחה גבישית, ואת התוצאה מוכוונת פעולה כמו אלמנטים ממושכות.לדוגמה, בחזקות גבוהה פוליאתילן (HDPE), יכול לייצר "שרירים-kebab" כביכול, שבו שרשראות רחבות עוצמה (abs) עם vulicretreticesated ערכים (a) ו-b).

הובלת מכניזם

בעוד אוריינטציה בדרך כלל מגבירה את העוצמה, ההשפעה שלה על קשיחות היא יותר מנוקמת. במערכות רבות, פולימרים מוכווניים מציגים אנרגיה שבר גבוה יותר כי רשתות מתואמים יכול לעבור עיוות פלסטי נרחב לפני הכישלון.התתת הסדקים מונעת על ידי הצורך לשבור או למשוך משככי אוריינטציה כוח מפונק.עם זאת, אם אוריינטציה גבוהה מדי ורשתות מורחבות לחלוטין, החומר עשוי להפוך לערעור - חוסר יכולת אופטימיזציה של פחמן בין כוח מגנטית כדי להשיג כוח מגנטי חזק.

השפעה על Key מכני Properties

כוח Tensile ו- Modulus

ההשפעה הדרמטית ביותר של אוריינטציה מולקולרית נתפסת בתכונות Tenile.Uniaxially oriented סיבים יכול להשיג נקודות חוזק רביליות כי הם סדר גודל גבוה יותר מאשר עמיתיהם הטרופיים.לדוגמה, אולטרה-נמוקולי משקל פוליאתילן (UHMWPE) סיבים, כגון Dyneema ו- Spectra, יש כוח רב של 2–4a - ניתן להשוות בין היתר לפוליטרה אחת, באופן משמעותי, לאחר מכן, כמו GP.

(FLT:0) ניתן ל-1 שיפור רכוש טיפוסי מאוריינטציה (הנתונים המשתנים)Feloph:1 - למרות שאנו נמנעים מסימן שולחן בפועל להנחיות, הנתונים מסכמים בטקסט: לפוליפרופילטיקה איזוטרופית יש כוח רב-עוצמה של -30 MPa, בעוד סיבים מוכווניים יכולים לעלות מ-600 MPa.

התנגדות ואומץ

פולימרים מובנים לעתים קרובות מראים התנגדות השפעה גבוהה בשל פירוק אנרגיה באמצעות fibril למשוך-out ו- delamination. בגליונות פוליקרבונט מוכווני (PC) מוכווני, למשל, ניתן להכפיל את עוצמת ההשפעה בהשוואה לדדינים איזוטרופיים.עם זאת, מידת האוריינטציה חייבת להיות מבוקרת בזהירות: היערכות מוגזמת בכיוון אחד עלולה להוביל לסדקים מועדפים בכיוון זה (splitting).

קיבולת ויציבות ממדית

תחת עומס מתמשך, פולימרים מוכווניים להראות מופחתת שערי צ'רץ כי השרשראות היישרות נגד הזרם של מולקווס. זה הופך אותם מתאימים יישומים מבניים שבו יציבות ממדית ארוכת טווח היא קריטית, כגון רכיבי רכב וחגורות תעשייתיות. Biaxially oriented גם להראות יציבות ממדית משופרת הן במכונה והן כיוונים transverse.

טכניקות עיבוד לשליטה ב- Molecular Orientation

Extrusion and Die Drawing

בפיזור, ההיתוך פולימרי מושעה דרך מוות, ואת שרשרת הזרם היישר של הזרם והארוך לאורך כיוון הזרם.ציור תת-הכיו - גם בהמיסה או במצב מוצק - נוסף משפר את הכיוון. סולידריות המדינה ציור בטמפרטורות ליד נקודת ההמסה, אך מתחתיו יכולים להשיג יחס גבוה מאוד, המוביל למוצרים מוכווניים מאוד.

מתיחה מילולית לסרטים

אוריינטציה Biaxial חיוני עבור סרטים הדורשים תכונות מכניות מאוזנות, כגון פוליפרופילן מוכוונת במביאלי (BOPP) ופוליאתילן terephthalate (BOPET) התהליך כולל באופן זמני או בו זמנית מתיחה הסרט במכונה וכיוונים transverse.The הסרט מציג כוח אחיד בשני הכיוונים, גבוה, ומרקם מצוין, הוא משמש כ"כוני"ד,"ב,"ב,"ב.

ניתן להשיג גם את הכיוון הלשוני באמצעות FLT:0inflation BlowFLT:1, שבו סרט אירובי מורחב על ידי לחץ אוויר פנימי תוך שהוא משלוף ציר.

אלקטרו-סימונים עבור ננופיבר

אלקטרוספינינג משתמש שדה חשמלי כדי למשוך פתרון פולימר או להמיס לתוך סיבים אולטרה-פריים.התנועה מהירה ושוטפת לגרום אוריינטציה מולקולרית גבוהה לאורך ציר הסיבים, לייצר ננופיברים עם תכונות מכניות מדהימות.אלקטרופורון פוליקליליה (PAN) סיבים, למשל, לשמש כמבשרים עבור סיבי פחמן לאחר אוריינטציה וייצוב.

הזריקה והאוריינטציה

בתבנית הזריקה, זרימת פולימרים מלוטנים לתוך משטח עובש יוצרת דפוס "skin-core" מורפולוגיה.שכבת העור חווה גבוה הרהר וקירור, המוביל לאוריינטציה מולקולרית משמעותית, בעוד הליבה נשארת יחסית איזוטרופית. אוריינטציה זו ניתן לנצל כדי לשפר את הביצועים המכניים של חלקים מעוצבים, אבל זה גם מציג מתחים בודדים ו anisotropy כי יש צורך בחשבון עיצוב.

רולינג וקלינג

גלגול מכני, המשמש לעתים קרובות בשילוב עם חימום, יכול לגרום אוריינטציה גלידות פולימרים.קלנדרינג, המשמש PVC וגומי, עובר את החומר באמצעות סדרה של רולרים, יישר שרשראות בכיוון הגלגול. שיטה זו היא איטית יותר ופחות מדויקת מאשר ציור אבל יכול להיות יעיל עבור סדינים עבים.

מדד ואופי של אוריינטציה

אוריינטציה מולקולרית Quantifying היא חיונית עבור אופטימיזציה של תהליכים ובקרת איכות. כמה טכניקות מועסקים:

  • (FLT:0Wide-משולש X-ray diffraction (WAXD)Figple:1LT: מודד את הכיוון של שלבים גבישיים על ידי ניתוח חלוקת אינטנסיביות של פסגות דיפרנציציה.
  • (FLT:0)BireparnceFLT:1: Anisotropy אופטי מציין אוריינטציה. על ידי מדידה ההבדל באינדיקציות השבירה עבור מקבילה מאובקת אור, נטייה ממוצעת עבור אזורי amorphous ו גבישי ניתן להשיג.
  • (FLT:0) infrared (IR) dichroismveFLT:1: שימוש בקרינת IR מקוטבת כדי לבחון את הכיוון של קבוצות פונקציונליות ספציפיות לאורך עמוד השדרה הפולימריא.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ : בדומה ל-IR dichroism, ראמן מציע רגישות לשינויים תואמים וניתן להשתמש בהם עבור דגימות מוכווניות.
  • (ב) ⁇ :0) חידוש מגנטי (NMR) , 1:1: Deuterium NMR יכול לספק מידע על דינמיקות שרשרת וכיוון הן מוצקות והן נמסות.

עבור בקרת איכות תעשייתית, bireparnce ומדכאות (ה התכווצות יתר על חימום) משמשים לעתים קרובות כאינדיקטורים מהירים של אוריינטציה. תואר גבוה של אוריינטציה מוביל לכווץ תרמי גבוה כאשר החומר מחומם מעל ומעבר הזכוכית או נקודת ההיתוך שלה.

יישומים מתקדמים של Polymers

המונחים: high-Performance Resources

היישום האיקוני ביותר הוא סיבים אולטרה-חזקים. aramid סיבים (למשל, Kevlar, Nomex) מעובדים מפתרונות גביש נוזליים כי באופן טבעי או נוח מתחת ל Shear, מניב שרשראות כמעט יישר מושלם. UHMWPE סיבים, כפי שהוזכר, להשיג כוח קיצוני באמצעות ג'ל וסגת סיבים אלה משמשים הגנה בליסטי, חבלים, כבלים, וכבלים מורכבים.

חבילות סרטים

סרטי ביו-שיטרה שולטים בתעשיית האריזה הגמישה. BOPP מספקת בהירות, כוח ומחסום לחות; BOPET מציעה יציבות ממדית גבוהה והתנגדות תרמית ליישומים של אידוי ואיפה-בנג.

מכשירים ביו-רפואיים

האוריינטציה ממלאת תפקיד קריטי בתביעות כירורגיות, שבו יש צורך בכוח רבנים גבוה והשפלה מבוקרת.חומצה פולילאקטית (PLA) לעתים קרובות מוכוונת לשיפור חוזק הקשר.אלקטרופורים עבור nanofibers הנדסת רקמות להשתמש nanofibers כדי להנחות צמיחה תאים ולחקה את anisotropy של רקמות טבעיות כגון נוטה ורצועות.

הרכב והמטוסים האוויריים

תרכובות פולימריות אוריינטדות, כולל thermoplastics עמידים בסיבים, ליהנות מאוריינטציה ממטריקס בנוסף לנטייה סיבים. התכונות האנסוטרופיות של matrix לתרום לשיפור כוח Shear. זריקות חלקים עם אוריינטציה העור מבוקרת משמשים לוחות פנימיים ורכיבים מתחת לגיל.

סרטים אופטיים ואלקטרוניקה

פולימרים מובנים הם חיוניים בקטבים, סרטים פיגור, ולהציג substrates. פוליויניל אלכוהול (PVA) סרטים הם uniaxially מתוחים ועושים עם יוד כדי ליצור סרטים מקוטבים עבור LCDs. .ב באופן מבוכוון סרטים משמשים substrates עבור אלקטרוניקה גמישה בשל coefficient שלהם של התרחבות תרמית בכיוונים כוכבי הלכת.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות, השגת ושמירה על אוריינטציה אופטימלית מציגה אתגרים:

  • (ב) [ה]: [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]], [ה]][ה]]], [ה[[המאה ה'], [ה[[המאה ה-20]]], ו[[המאה ה-20]], [[המאה ה-20]],]], ו[[1924]], [[המאה ה[[1924]],]], [[המאה ה-20]].
  • (FLT:0) מגבלות של מגבלות (FLT:1): יחסי מאוד גבוהים של איפור יכולים לגרום צוואר, היווצרות חלל או פגמים על פני השטח. יחס התוספת האופטימלי תלוי במשקל מולקולרי, טמפרטורה וקצב.
  • (FLT:0) Anisotropy סחר-offscioFLT:1; אוריינטציה בלתי-אקאלית משפרת את התכונות בכיוון אחד על חשבון הכיוון של הפריפריה - לעתים קרובות מוביל לפיצול קל (איור). אוריינטציה בישיקל מקטין את זה אבל דורש עיבוד מורכב יותר.
  • (FLT:0) הדגשה הדדית של ההרחבה:1: אוריינטציה המושרה באמצעות זרימה או מתיחה משאירה מתחים שאריות שיכולים לגרום דף מלחמה או לחץ סדק בחלקים גמורים, במיוחד במוצרים מזוקקים.
  • (FLT:0) scalingFLT:1: טכניקות אוריינטציה בקנה מידה מעבדה (למשל, אלקטרוספינינג, ציור מוצק מדינת) קשה בקנה מידה כלכלי לייצור סחורות.

כיוונים עתידיים במדעי האוריינטציה

המחקר ממשיך לדחוף את הגבולות של אוריינטציה פולימרית.מגמות מפתח כוללות:

  • (FLT:0)Nanocomposite אוריינטציה אוריינטציה אוריינטציה FLT:1: שילוב של מטבוליות פולימר מוכווני עם חלקיקים תואמים (נופסי פחמן, גרפן, ננוקריסטל) יכול ליצור חומרים היררכיים עם תכונות חסרות תקדים. nanofillers עצמם יכולים לשמש כתבניות לנטייה פולימרית.
  • (FLT:0)Bioinspireed אוריינטציה FLT:1: חומרים טבעיים כמו משי ו קולגן להציג אוריינטציה היררכית מדויקת. Mimicking מבנים אלה באמצעות עיבוד מבוקר יכול להניב ביופוחיות ביצועים גבוהים.
  • (FLT:0) ייצור אדרטיבי (FLT:1): טכניקות הדפסה תלת-ממדיות כגון מודל פיזור מרוקד (FDM) מייצרות אוריינטציה לאורך נתיב ההדפסה.הבנה ונטייה לאנתרופולוגים מודפסים היא חיונית ליישומים מבניים.
  • (FLT:0) In-line-line-oriented controlFLT:1: ניטור בזמן אמת באמצעות bireparnce או IR dichroism במהלך החדירה או ציור יכול לאפשר בקרת משוב להשגת פרופילים אוריינטציה מטרה.
  • (FLT:0) פולימרים יציבים מוכוונים של אמפירים 1 (FLT: פיתוח פולימרים עם מעבר זכוכית גבוה או היתוך טמפרטורות כי לנעול אוריינטציה בתנאי שירות, כגון פולימונים או פולית'ר ether ketone (PEEK), הוא מטרה לתעופה ואלקטרוניקה.

מסקנה

אוריינטציה מולקולרית היא פרמטר בסיסי במדעי פולימר והנדסה, המציעה מנוף חזק להתאים תכונות מכניות. על ידי התאמת רשתות פולימר באמצעות עיבוד מבוקר - חדירה, ציור, אלקטרוסמנטינג, או מתיחה מילולית - מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי את חוזק Tenile, Modulus, עמידות השפעה ויציבות ממדית. עם זאת, היתרונות באים עם עסקאות ב ביצועים קלים יותר, מרגיעה, וטכניקות מתקדמות יותר, פיתוח, אפילו יותר, חומרים עמידים יותר, חומרים עמידים, חומרים עמידים יותר, פיתוח, חומרים עמידים יותר, חומרים עמידים יותר, ויציבות ביולוגית.

(ב) [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']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[