Makromolekylær orden i plastikriget

Et team af forskere ved Institute of Synthetic Polymer Materials of the Russian Academy of Sciences, MIPT og andre steder har bestemt, hvordan regelmæssigheden af ​​polypropylenmolekyler og termisk behandling påvirker slutproduktets mekaniske egenskaber. Deres nye indsigt gør det muligt at syntetisere et materiale med forudbestemte egenskaber som elasticitet eller hårdhed. Papiret med detaljer om undersøgelsen blev offentliggjort i Polymer .

Med hensyn til produktionsmængde, polypropylen er det kun andet efter polyethylen. Ved at justere dens molekylære struktur, polypropylen kan bruges til fremstilling af materialer med en lang række funktioner, fra elastikbånd til kraftig plast. Imidlertid, Forholdet mellem polymerens kemiske struktur og dets mekaniske egenskaber er ikke fuldt ud forstået.

Hvad der gør egenskaberne af polymermaterialer så variable er deres makeup. Et polymermolekyle er en lang kæde af gentagne enheder med ulige længder. Hvis disse molekyler blandes mere eller mindre tilfældigt sammen i et materiale, det siges at være amorft. Sådanne polymerer er bløde. I andre materialer, polymerkæderne danner sammenkoblinger kaldet tværbindinger. Dette giver anledning til områder med meget regelmæssig atomstruktur (fig. 1), ligner krystaller, deraf navnet krystallitter. De holder hele det molekylære netværk sammen, og jo flere krystallitter der er i et materiale, jo sværere er det. For at danne tværbindinger, molekylære kæder skal have en vis strukturel regelmæssighed kaldet isotakticitet.

En polypropylenkæde består af en rygrad af carbonatomer med vedhæftede hydrogenatomer. Hvert andet carbonatom i kæden har en methylgruppe knyttet til sig. To tilstødende carbonatomer i kæden med hydrogenatomerne og methylgruppen bundet til dem udgør en gentagende enhed kaldet propylen, eller propen. Makromolekylets rumlige konfiguration - polymerkæden - bestemmes af den gensidige orientering af methylgrupperne i kæden (fig. 2):Hvis de alle er på den ene side, molekylet siges at være isotaktisk. Hvis de skifter mellem at vende den ene og den anden vej, arrangementet er kendt som syndiotaktisk. Fraværet af noget konsistent mønster kaldes atakticitet. Isotaktiske kædesegmenter er meget effektive til at danne tværbindinger. Derfor, en højere grad af polypropylen isotakticitet resulterer i et stærkere materiale. Kemikere kan syntetisere polypropylen med forudbestemt isotakticitet. Forfatterne satte sig for at fastslå det præcise forhold mellem materialets mekaniske egenskaber og isotakticitet.

Hvad gør det stærkt

Graden af ​​isotakticitet af en polymer udtrykkes i form af indholdet af pentader i den. En pentad er et perfekt isotaktisk molekylsegment, der er fem gentagne enheder langt. Forskerne undersøgte polypropylener karakteriseret ved forskellige grader af isotakticitet:specifikt, 25, 29, 50, 72, 78, 82, og over 95 pct. Prøver af hver type polypropylen blev opnået i form af film, 0,5-0,7 millimeter tyk, ved hjælp af to forskellige teknikker:slukning af det smeltede materiale i isvand og afkøling med en hastighed på 3 grader i minuttet. Filmene blev derefter udsat for strækning ved 10 millimeter i minuttet på en testmaskine.

Ved hjælp af resultaterne af mekaniske test, forfatterne afbildede en stress-belastningskurve for hver af prøverne. De fandt ud af, at prøvernes opførsel var belastet af deres isotakticitet og termiske forhistorie - det vil sige om de blev afkølet langsomt eller hurtigt. Forskerne skildrede dette forhold som en afhængighed af det elastiske modul af graden af ​​krystallinitet (fig. 4). Højere elastiske moduler svarer til hårdere materialer. Graden af ​​krystallinitet er procentdelen af ​​krystallitterne - i modsætning til amorfe områder - i materialets volumen. Holdet viste også, at krystallitterne i slukkede og langsomt afkølede prøver var forskellige i deres form.

"Mange mennesker forsøger at forbedre egenskaberne af polypropylen, da afkastet af den investerede indsats er stort. Det produceres af millioner af tons, og man behøver kun at finjustere kædestrukturen eller forberedelsesbetingelserne lidt for at opnå et materiale med ønskede egenskaber, "siger forfatteren Maxim Shcherbina, der underviser på MIPT og er en førende forsker ved Laboratory of Functional Polymer Structures ved Institute of Synthetic Polymeric Materials, RAS. "Under syntesen, du bestemmer molekylets struktur. Men når du gør det, du bestemmer også egenskaberne for netværket og dermed materialets egenskaber. Dette er den store konklusion, vi drager i papiret. Lige nu, vi gør lignende ting med polyethylen - en anden ganske populær polymer. "