Tuning af frontal polymerisering til forskellige materialegenskaber

Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign har forbedret teknikken til frontal polymerisation, hvor en lille mængde varme udløser en bevægende reaktionsbølge, der producerer et polymert materiale. Den nye metode muliggør et bredere udvalg af materialer med bedre kontrol over deres termiske og mekaniske egenskaber.

Papiret, "Hurtig syntese af elastomerer og termosæt med indstillelige termomekaniske egenskaber, " blev offentliggjort i ACS makrobogstaver og valgt som ACS-redaktørers valg.

"Det meste af den tidligere forskning kiggede på stivere materialer. Dette papir er første gang frontal polymerisation er blevet brugt til at syntetisere et gummiagtigt materiale, " sagde Nancy Sottos, en Maybelle Leland Swanlund, formand og leder af Institut for Materialevidenskab og Teknik, som også leder Autonomous Materials Systems Group ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Den nye teknik giver os mulighed for at have mere kontrol og laver materialer, der har gode tekniske egenskaber med hensyn til styrke og stivhed."

Forskerne brugte en blanding af to monomerer, 1, 5-cyclooctadien og dicyclopentadien, at skabe materialer, der er skræddersyet til en bred vifte af applikationer.

"Disse materialer ligner kemisk det, der bruges i dæk, " sagde Leon Dean, en kandidatstuderende i Sottos-gruppen, som er en del af AMS. "Konventionelt, syntesen af ​​gummier kræver et organisk opløsningsmiddel, flere trin, og en masse energi, som ikke er miljøvenligt. Vores opløsningsmiddelfrie fremstillingsmetode fremskynder processen og reducerer energiforbruget."

Ved at bruge denne teknik, forskerne var i stand til at lave materialer, der demonstrerer en polymerhånd med formhukommelse. Formhukommelseseffekten opstår, når en fordeformeret polymer opvarmes ud over dens glasovergangstemperatur, hvilket er det punkt, polymeren ændrer sig fra en hård, glasagtigt materiale til en blød, gummiagtigt materiale. Den sekventielle ændring i form blev muliggjort af forskellene i glasovergangstemperatur mellem hvert lag.

"Vi lavede et lagdelt materiale i form af en hånd, hvor hvert lag havde forskellige mængder af de to monomerer og derfor forskellige glasovergangstemperaturer, " sagde Qiong Wu, en postdoc i Moore-gruppen, som også er en del af AMS. "Når du opvarmer polymeren over den højeste glasovergangstemperatur og derefter afkøler den, det danner en knytnæve. Når du hæver temperaturen igen, knytnævernes cifre åbnes i rækkefølge. "

Forskerne håber at kunne videreudvikle denne teknik ved at forbedre deres kontrol over polymeregenskaberne. "Selvom vi har demonstreret tunerbarheden af ​​flere ejendomme over en bred vifte, det er fortsat en udfordring at tilpasse hver ejendom individuelt, " sagde Wu.

"Det vil også være en udfordring at opskalere teknikken, "Sagde Dean." Det meste af vores arbejde er udført i en laboratorieskala. Imidlertid, i større produktion, der er en konkurrence mellem bulkpolymerisation og frontal polymerisation."

"Denne undersøgelse viser Beckman Institute, når det er bedst, " sagde Jeff Moore, en Ikenberry-begavet stol, professor i kemi, og direktøren for Beckman Instituttet. "Det samlede to grupper, der har forskellige perspektiver på et problem, men deler et fælles mål."

Omar Alshangiti, en bachelor i Moore Group, gav også et betydeligt bidrag til undersøgelsen ved at undersøge passende monomerkombinationer, forberede de fleste af prøverne og måle alle parametrene for frontal polymerisationsproces.